Il nanocluster d'argento "dorato" con 25 atomi di argento e 18 molecole di ligandi, (a sinistra) senza controione e (a destra) con controione. Le strutture mostrano atomi d'argento sui vertici dell'icosaedro (verde), atomi d'argento sulle facce dell'icosaedro (viola), atomi di zolfo (giallo), atomi di carbonio (grigio), e atomi di fosforo (rosso). Credito:Osman Bakr, KAUST
(Phys.org)—In un atto di "nano-alchimia, " gli scienziati hanno sintetizzato un nanocluster d'argento (Ag) che è praticamente identico a un nanocluster d'oro (Au). All'esterno, il nanocluster d'argento ha un colore giallo dorato, e dentro, anche la sua struttura chimica e le sue proprietà imitano da vicino quelle della sua controparte d'oro. Il lavoro mostra che potrebbe essere possibile creare nanoparticelle d'argento che sembrano e si comportano come l'oro nonostante le differenze sottostanti tra i due elementi, e potrebbe portare a creare analoghi simili tra altre coppie di elementi.
I ricercatori, guidato da Osman Bakr, Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita, hanno pubblicato il documento in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
"In alcuni aspetti, questo è molto simile all'alchimia, ma la chiamiamo 'nano-alchimia, '" ha detto Bakr Phys.org . "Quando abbiamo incontrato per la prima volta lo spettro ottico del nanocluster d'argento, pensavamo di aver inavvertitamente scambiato i reagenti chimici per l'argento con l'oro, ed è finito invece con nanoparticelle d'oro. Ma sintesi e misurazioni ripetute hanno dimostrato che gli ammassi erano davvero d'argento e tuttavia mostrano proprietà simili all'oro. È stato davvero sorprendente per noi scienziati trovare non solo somiglianze nel colore e nelle proprietà ottiche, ma anche la struttura a raggi X."
Come tutti gli elementi chimici, argento e oro sono definiti dal loro numero di protoni:l'argento ne ha 47, e l'oro ne ha 79. Il lavoro qui non cambia il numero di protoni in un atomo d'argento; altrimenti non sarebbe più considerato argento. Anziché, i ricercatori hanno sintetizzato un nanocluster di 25 atomi di argento, insieme ad altre 18 molecole chiamate "leganti" che circondano gli atomi d'argento. L'intero carico negativamente, ione complesso a base di argento ha la formula chimica [Ag 25 (SPhMe 2 ) 18 ] - .
Sebbene negli ultimi anni siano stati sintetizzati alcuni altri nanocluster d'argento, questo è il primo nanocluster d'argento che ha un analogo corrispondente in oro:[Au 25 (SPhMe 2 ) 18 ] - è stato precedentemente segnalato. Oltre a entrambi i nanocluster con 25 atomi di metallo e 18 ligandi, entrambi hanno anche tutti i loro atomi ed elettroni disposti quasi esattamente allo stesso modo.
Nel loro studio, i ricercatori hanno eseguito test che dimostrano che i nanocluster d'argento e d'oro hanno proprietà ottiche molto simili. Tipicamente, i nanocluster d'argento sono di colore marrone o rosso, ma questo assomiglia proprio all'oro perché emette luce quasi alla stessa lunghezza d'onda (circa 675 nm) dell'oro. Il colore dorato può essere spiegato dal fatto che entrambi i nanocluster hanno strutture cristalline praticamente identiche.
(Sinistra) Proprietà ottiche dei nanocluster d'argento e d'oro, con l'inserto che mostra fotografie del colore effettivo dei nanocluster sintetizzati. Il grafico mostra gli spettri di assorbimento (linee continue) e di emissione normalizzata (linee tratteggiate). (A destra) Varie rappresentazioni della struttura a raggi X del nanocluster d'argento. Credito:Joshi, et al. ©2015 American Chemical Society
Gli scienziati hanno studiato la struttura cristallina del nanocluster d'argento utilizzando la diffrazione dei raggi X, in cui un raggio di raggi X colpisce la struttura cristallizzata e viene riflesso a vari angoli per creare uno schema di diffrazione su un rivelatore. Questa tecnica ha rivelato che il nanocluster d'argento ha un atomo d'argento al centro di una forma a stella a 12 punte chiamata icosaedro. Mentre 12 degli altri atomi d'argento formano i 12 punti, i restanti 12 atomi d'argento occupano alcune delle facce. Questa disposizione è quasi esattamente come quella del nanocluster d'oro, tranne che tre degli atomi sulle facce del nanocluster d'argento sono girati in una direzione diversa. Per quanto gli scienziati possono dire, l'orientamento di questi tre atomi è l'unica differenza strutturale notevole tra i nanocluster d'argento e d'oro, e provoca una leggera distorsione nei nanocluster d'argento.
La domanda sorge spontanea:perché questi nanocluster d'argento e d'oro sono così simili, quando i singoli atomi di argento e oro sono molto diversi, in termini di proprietà ottiche e strutturali? Come ha spiegato Bakr, la risposta potrebbe avere a che fare con il fatto che, anche se di dimensioni maggiori, i nanocluster si comportano come "superatomi" nel senso che i loro elettroni orbitano attorno all'intero nanocluster come se fosse un singolo atomo gigante. Questi orbitali superatomici nei nanocluster argento e oro sono molto simili, e, generalmente, la configurazione elettronica di un atomo contribuisce in modo significativo alle sue proprietà.
"La scala dimensionale delle nanoparticelle si trova tra atomi/molecole e materiale sfuso, dove non si osserva la regola assoluta né della fisica quantistica né classica, " ha spiegato Bakr. "Tuttavia, la nanoparticella di Ag che abbiamo sintetizzato era di dimensioni così piccole che in realtà si comportava molto come un atomo, cioè., un superatom. Poiché il quadro strutturale di Ag 25 è quasi identico a Au 25 , che crea disposizioni atomiche simili nello spazio 3D, questa speciale disposizione atomica consente l'ibridazione di orbitali atomici Ag e orbitali ligando (le molecole organiche che circondano il metallo) in Ag 25 produrre orbitali superatomici molto simili al noto Au 25 sistema. Questo potrebbe essere il motivo principale delle somiglianze osservate tra i cluster Ag e Au, che potrebbe non essere possibile ottenere con singoli atomi o materiali sfusi".
Mentre i risultati qui mostrano che l'argento può acquisire le proprietà dell'oro, è possibile anche il contrario, con l'oro che viene sintetizzato per apparire e comportarsi come l'argento.
"Se l'argento può acquisire proprietà dell'oro, non c'è una ragione ovvia per cui il contrario non dovrebbe essere possibile, " ha detto Bakr.
Questa dualità, in cui un tipo di atomo acquisisce le proprietà di un altro, ha il potenziale per offrire capacità senza precedenti nella ricerca sulle nanoscienze, ed è un'area che gli scienziati intendono approfondire in futuro.
I ricercatori sperano anche che i risultati portino a una migliore comprensione delle differenze fondamentali tra oro e argento. Ad esempio, sebbene entrambi i materiali siano metalli lucenti, l'oro è relativamente biocompatibile ed è oggetto di ricerca per la biomedicina, mentre l'argento è citotossico e viene utilizzato nei rivestimenti superficiali antibatterici. A domande come queste si può rispondere sfumando le linee tra gli elementi così come li conosciamo.
"Il nostro piano futuro è sintetizzare altre dimensioni di cluster d'oro e altri analoghi metallici di nanoparticelle d'oro per esplorare se questi cluster mostrerebbero ancora il comportamento dell'oro o meno, " Bakr ha detto. "Il nostro obiettivo è trovare sostituti più economici per l'oro in applicazioni in cui sono richieste nanoparticelle d'oro".
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