Созданы металлические наночастицы, свойства которых не позволяют отнести их к металлам

Наш мир полон паттернов, от завихрения молекулы ДНК до спирали Млечного пути.

Новое исследование, проведенное химиками из Карнеги Меллон, показало, что крошечные искусственные золотые наночастицы демонстрируют одни из естественных наиболее запутанных паттернов.

Открытие калейдоскопа этих паттернов — это был настоящий подвиг Геракла, который впервые отмечает, когда наночастица данного размера кристаллизовалась, а ее структура была распланирована атом за атомом.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

«Наша вселенная поистине прекрасна, тем более, когда мы видим паттерны в чем-то очень маленьком, таком как наночастицы из 133 атомов, и чем-то большом, таком как Млечный путь», заявил доцент химии Рон Чао Чжин.

Золотые наночастицы, размер которых варьируется от 1 до 100 нанометров, являются многообещающей технологией, у которой есть применение в широком диапазоне областей, включая катализ, электронику, материаловедение и здравоохранение. Однако чтобы использовать золотые наночастицы в практическом применении, ученые сначала должны понять структуру крошечных частиц.

«Структура определяет свойства частицы, а потому, не зная структуры, не удастся понять свойства и найти им применение», сообщил эксперт в создании золотых наночастиц Чжин.

В ходе исследования Чжин и его коллеги, включая аспиранта Чен Чжи Жень, установили структуру наночастицы Au133, состоящей из 133 атомов и 52 поверхностно-защитных молекул — крупнейшей структуры наночастицы, выявленной с помощью рентген-кристаллографии. Хотя микроскопия может показать размер, форму и атомную решетку наночастиц, она не способна различить структуру поверхности. Рентгеновская кристаллография способна планировать позицию каждого атома на поверхности наночастиц и показывать, как они связаны с золотым ядром. Понимание структуры поверхности является ключевым для использования наночастиц для практического применения, такого как катализ, а также для открытия фундаментальной науки, такой как основа стабильности частиц.

Кристаллическая структура наночастицы Au133 открыла множество секретов.

«С помощью рентгеновской кристаллографии мы смогли увидеть весьма привлекательные паттерны, что является удивительным открытием. Эти паттерны можно обнаружить, только если частица достаточно велика», сказал Чжин.

Во время производства частицы Au133 самостоятельно собираются тремя слоями: золотое ядро, поверхностные молекулы, которые защищают частицу от внешнего воздействия, и интерфейс между этими двумя долями. В кристаллической структуре, как выяснил Жень, золотое ядро находится в форме икосаэдра. В интерфейсе между ядром и защитными молекулами находится слой атомов серы, связанный с атомами золота. Комбинации серы-золота-серы упорядочены в подобные винтовым лестницам структуры. Наконец, к молекулам серы приложен внешний слой защитных молекул, углеродные хвосты которых самостоятельно собираются в четырехкратные водовороты.

«Винтовая структура напоминает ДНК, а закрученные углеродные хвосты напоминают о том, как устроена наша галактика. Это удивительно», заметил Чжин.

Перечисленные особенности ответственны за высокую стабильность Au133 по сравнению с золотыми наночастицами других размеров. Также ученые проверили оптические и электронные свойства Au133 и установили, что эти золотые наночастицы, по сути, не являются металлическими. Обычно золото является одним из лучших проводников электрического тока, но размер Au133 настолько мал, что эта частица не обладает свойствами металла. Группа Чжина тестирует наночастицы на использование в качестве катализаторов — веществ, ускоряющих химические реакции.