I chimici della Rice University hanno scoperto che minuscole particelle "seme" d'oro, un ingrediente chiave in una delle più comuni ricette di nanoparticelle, sono la stessa cosa delle buckyball d'oro, molecole sferiche da 32 atomi che sono cugine delle buckyball di carbonio scoperte alla Rice nel 1985.

Le buckyball di carbonio sono molecole cave di 60 atomi che furono co-scoperte e nominate dal defunto chimico della Rice Richard Smalley. Li soprannominò "buckminsterfullereni" perché la loro struttura atomica gli ricordava le cupole geodetiche dell'architetto Buckminster Fuller, e la famiglia dei "fullerene" è cresciuta fino a includere dozzine di molecole cave.

Nel 2019, i chimici della Rice Matthew Jones e Liang Qiao hanno scoperto che i fullereni dorati sono le particelle "seme" d'oro che i chimici usano da tempo per produrre nanoparticelle d'oro. La scoperta è arrivata solo pochi mesi dopo la prima sintesi documentata di buckyball d'oro e ha rivelato che i chimici avevano inconsapevolmente utilizzato le molecole d'oro per decenni.

"Quello di cui stiamo parlando è, senza dubbio, il metodo più diffuso per generare qualsiasi nanomateriale", ha detto Jones. "E il motivo è che è incredibilmente semplice. Non hai bisogno di attrezzature specializzate per questo. Gli studenti delle scuole superiori possono farlo."

Jones, Qiao e i coautori della Rice, della Johns Hopkins University, della George Mason University e della Princeton University hanno trascorso anni a raccogliere prove per verificare la scoperta e hanno recentemente pubblicato i loro risultati su Nature Communications .

Jones, assistente professore di chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice, ha affermato che la conoscenza che le nanoparticelle d'oro sono sintetizzate da molecole potrebbe aiutare i chimici a scoprire i meccanismi di tali sintesi.

"Questo è il quadro generale dell'importanza di questo lavoro", ha affermato.

Jones ha affermato che i ricercatori hanno scoperto all'inizio degli anni 2000 come utilizzare le particelle di semi d'oro nelle sintesi chimiche che hanno prodotto molte forme di nanoparticelle d'oro, tra cui bastoncini, cubi e piramidi.

"È davvero interessante poter controllare la forma delle particelle, perché ciò cambia molte delle proprietà", ha affermato Jones, assistente professore di chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. "Questa è la sintesi che quasi tutti usano. È stata usata per 20 anni e per tutto quel periodo di tempo questi semi sono stati semplicemente descritti come 'particelle.'"

Jones e Qiao, un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Jones, non stavano cercando l'oro-32 nel 2019, ma lo hanno notato nelle letture della spettrometria di massa. La scoperta delle buckyball al carbonio-60 è avvenuta in modo simile. E le coincidenze non finiscono qui. Jones è il professore assistente di Norman e Gene Hackerman in Chimica alla Rice. Smalley, che ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 1996 con Robert Curl della Rice e Harold Kroto del Regno Unito, è stato per molti anni titolare della cattedra Hackerman di chimica alla Rice prima della sua morte nel 2005.

Confermare che i semi ampiamente utilizzati fossero molecole di oro-32 anziché nanoparticelle ha richiesto anni di sforzi, tra cui l’imaging all’avanguardia da parte del gruppo di ricerca di Yimo Han alla Rice e analisi teoriche dettagliate da parte dei gruppi di Rigoberto Hernandez alla Johns Hopkins e Andre Clayborne presso George Mason.

Jones ha affermato che la distinzione tra nanoparticelle e molecole è importante e rappresenta una chiave per comprendere il potenziale impatto dello studio.

"Le nanoparticelle sono in genere simili per dimensioni e forma, ma non sono identiche", ha detto Jones. "Se creo un lotto di nanoparticelle d'oro sferiche da 7 nanometri, alcune di esse avranno esattamente 10.000 atomi, ma altre potrebbero averne 10.023 o 9.092.

"Le molecole, d'altra parte, sono perfette", ha detto. "Posso scrivere una formula per una molecola. Posso disegnare una molecola. E se creo una soluzione di molecole, sono tutte esattamente uguali nel numero, nel tipo e nella connettività dei loro atomi."

Jones ha affermato che i nanoscienziati hanno imparato a sintetizzare molte nanoparticelle utili, ma i progressi sono spesso arrivati ​​attraverso tentativi ed errori perché "non esiste praticamente alcuna comprensione meccanicistica" della loro sintesi.

"Il problema qui è piuttosto semplice", ha detto. "È come dire:'Voglio che tu mi prepari una torta e ti darò un mucchio di polveri bianche, ma non ti dirò cosa sono.' Anche se hai una ricetta, se non sai quali sono i materiali di partenza, è un incubo capire quali ingredienti fanno cosa."

"Voglio che la nanoscienza sia come la chimica organica, dove puoi fare essenzialmente tutto ciò che vuoi, con qualunque proprietà tu voglia", ha detto Jones.

Ha detto che i chimici organici hanno uno straordinario controllo sulla materia "perché i chimici prima di loro hanno svolto un lavoro meccanicistico incredibilmente dettagliato per comprendere tutti i modi precisi in cui operano quelle reazioni. Siamo molto, molto lontani da questo nella nanoscienza, ma l'unico modo in cui potremo raggiungere questo obiettivo è fare un lavoro come questo e capire, meccanicamente, da cosa stiamo iniziando e come si formano le cose. Questo è l'obiettivo finale."

Ulteriori informazioni: Liang Qiao et al, Nanocluster atomicamente precisi prevalentemente sintesi di nanoparticelle d'oro, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40016-3

Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura

Fornito dalla Rice University