Sebbene da decenni gli scienziati siano in grado di sintetizzare nanoparticelle in laboratorio, il processo è principalmente per tentativi ed errori, e come avviene effettivamente la formazione è oscuro. Però, uno studio recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura dagli ingegneri chimici della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh spiega come si formano le nanoparticelle metalliche.

"Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1038/ncomms15988) è stato scritto da Giannis Mpourmpakis, assistente professore di ingegneria chimica e petrolifera, e il dottorando Michael G. Taylor. La ricerca, completato nel Computer-Aided Nano and Energy Lab (C.A.N.E.LA.) di Mpourmpakis, è finanziato attraverso un premio CAREER della National Science Foundation e collega le precedenti ricerche incentrate sulla progettazione di nanoparticelle per applicazioni catalitiche.

"Anche se ci sono ricerche approfondite sulla sintesi delle nanoparticelle metalliche, non c'è davvero una spiegazione razionale del perché si formi una nanoparticella, "Il dottor Mpourmpakis ha detto. "Volevamo studiare non solo le applicazioni catalitiche delle nanoparticelle, ma per fare un passo avanti e comprendere la stabilità e la formazione delle nanoparticelle. Questa nuova teoria della stabilità termodinamica spiega perché i nanocluster metallici protetti da ligando sono stabilizzati a dimensioni specifiche".

Un ligando è una molecola che si lega agli atomi di metallo per formare nuclei metallici che sono stabilizzati da un guscio di ligandi, e quindi capire come contribuiscono alla stabilizzazione delle nanoparticelle è essenziale per qualsiasi processo di applicazione delle nanoparticelle. Il dott. Mpourmpakis ha spiegato che le teorie precedenti che descrivevano il motivo per cui i nanocluster si stabilizzavano a dimensioni specifiche erano basate su regole empiriche di conteggio degli elettroni:il numero di elettroni che formano una struttura elettronica a guscio chiuso, ma mostrano limitazioni poiché sono stati sintetizzati sperimentalmente nanocluster metallici che non seguono necessariamente queste regole.

"La novità del nostro contributo è che abbiamo rivelato che per i nanocluster sintetizzabili sperimentalmente deve esserci un buon equilibrio tra la forza di legame media del nucleo metallico del nanocluster, e la forza di legame dei ligandi al nucleo metallico, " ha detto. "Potremmo quindi mettere in relazione questo con le caratteristiche strutturali e compositive dei nanocluster, come le dimensioni, numero di atomi di metallo, e numero di leganti.

"Ora che abbiamo una comprensione più completa di questa stabilità, possiamo adattare meglio le morfologie delle nanoparticelle e, di conseguenza, le proprietà, alle applicazioni dalla biomarcatura delle singole cellule e alla somministrazione mirata di farmaci alle reazioni catalitiche, creando così processi produttivi più efficienti e sostenibili."