Chimicamente lo stesso, grafite e diamanti sono fisicamente distinti come possono esserlo due minerali, uno opaco e morbido, l'altro traslucido e duro. Ciò che li rende unici è la loro diversa disposizione degli atomi di carbonio.

polimorfi, o materiali con la stessa composizione ma strutture diverse, sono comuni nei materiali sfusi, e ora un nuovo studio in Comunicazioni sulla natura conferma che esistono nei nanomateriali, pure. I ricercatori descrivono due strutture uniche per l'iconico nanocluster d'oro Au144(SR)60, meglio conosciuto come Gold-144, compresa una versione mai vista prima. La loro scoperta offre agli ingegneri un nuovo materiale da esplorare, insieme alla possibilità di trovare altre nanoparticelle polimorfe.

"Ci sono voluti quattro anni per svelare, " ha detto Simon Billinge, professore di fisica alla Columbia Engineering e membro del Data Science Institute. "Non ci aspettavamo che i cluster assumessero più di una disposizione atomica. Ma questa scoperta ci offre più punti di vista a cui rivolgerci quando si cerca di progettare cluster con proprietà nuove e utili".

L'oro è stato utilizzato in monete e gioielli per migliaia di anni per la sua durata, ma riducilo a una taglia 10, 000 volte più piccolo di un capello umano, e diventa selvaggiamente instabile e imprevedibile. Alla nanoscala, all'oro piace dividere altre particelle e molecole, rendendolo un materiale utile per purificare l'acqua, l'imaging e l'uccisione dei tumori, e rendere i pannelli solari più efficienti, tra le altre applicazioni.

Sebbene in laboratorio sia stata prodotta una varietà di particelle e molecole di nanooro, pochissimi hanno avuto la rivelazione della loro disposizione atomica segreta. Ma recentemente, le nuove tecnologie stanno mettendo a fuoco queste minuscole strutture.

Sotto un approccio, fasci di raggi X ad alta energia vengono sparati su un campione di nanoparticelle. L'analisi avanzata dei dati viene utilizzata per interpretare i dati di dispersione dei raggi X e dedurre la struttura del campione, che è la chiave per capire quanto sia forte, reattive o durevoli potrebbero essere le particelle.

Billinge e il suo laboratorio hanno aperto la strada a un metodo, l'analisi della funzione di distribuzione delle coppie atomiche (PDF), per interpretare questi dati di dispersione. Per testare il metodo PDF, Billinge ha chiesto ai chimici della Colorado State University di fare piccoli campioni di Gold-144, un cluster di nanooro delle dimensioni di una molecola isolato per la prima volta nel 1995. La sua struttura era stata prevista teoricamente nel 2009, e sebbene mai confermato, Gold-144 ha trovato numerose applicazioni, anche nell'imaging tissutale.

Sperando che il test confermerebbe la struttura di Gold-144, hanno analizzato i cluster presso la European Synchrotron Radiation Source a Grenoble, e ha utilizzato il metodo PDF per dedurre la loro struttura. Con loro sorpresa, trovarono un nucleo angolare, e non il nucleo icosaedrico a forma di sfera previsto. Quando hanno fatto un nuovo campione e hanno riprovato l'esperimento, questa volta utilizzando sincrotroni presso i laboratori nazionali Brookhaven e Argonne, la struttura è tornata sferica.

"Non abbiamo capito cosa stava succedendo, ma scavando più a fondo, ci siamo resi conto di avere un polimorfo, ", ha affermato la coautrice dello studio Kirsten Jensen, ex ricercatore post-dottorato alla Columbia, ora professore di chimica all'Università di Copenaghen.

Ulteriori esperimenti hanno confermato che il cluster aveva due versioni, a volte trovato insieme, ciascuno con una struttura univoca che indica che si comportano in modo diverso. I ricercatori non sono ancora sicuri se Gold-144 possa passare da una versione all'altra o, che cosa esattamente, differenzia le due forme.

Per fare la loro scoperta, i ricercatori hanno risolto quello che i fisici chiamano il problema inverso della nanostruttura. Come si può dedurre la struttura di una minuscola nanoparticella in un campione da un segnale a raggi X che è stato mediato su milioni di particelle, ciascuno con orientamenti diversi?

"Il segnale è rumoroso e altamente degradato, " ha detto Billinge. "È l'equivalente di cercare di riconoscere se l'uccello nell'albero è un pettirosso o un cardinale, ma l'immagine nel tuo binocolo è troppo sfocata e distorta per essere raccontata."

"I nostri risultati dimostrano la potenza dell'analisi PDF per rivelare la struttura di particelle molto piccole, " ha aggiunto il coautore dello studio Christopher Ackerson, un professore di chimica allo stato del Colorado. "Ho provato, spento e acceso, per più di 10 anni per ottenere la struttura radiografica a cristallo singolo di Gold-144. La presenza di polimorfi aiuta a spiegare perché questa molecola è stata così resistente ai metodi tradizionali".

L'approccio PDF è uno dei numerosi metodi rivali sviluppati per mettere a fuoco la struttura delle nanoparticelle. Ora che si è dimostrato, potrebbe aiutare ad accelerare il lavoro di descrizione di altre nanostrutture.

L'obiettivo finale è progettare nanoparticelle in base alle proprietà desiderate, piuttosto che attraverso tentativi ed errori, comprendendo come si relazionano forma e funzione. I database di strutture note e previste potrebbero consentire di progettare nuovi materiali con pochi clic del mouse.

Lo studio è un primo passo.

"Abbiamo avuto un modello di struttura per questa iconica molecola d'oro per anni e poi questo studio arriva e dice che la struttura è fondamentalmente giusta ma ha un doppelgänger, " ha detto Robert Whetten, professore di fisica chimica all'Università del Texas, Sant 'Antonio, che ha guidato la squadra che per primo ha isolato Gold-144. "Sembrava assurdo, avere due strutture distinte che stanno alla base della sua ubiquità, ma questa è una bella carta che convincerà molte persone."