Fig. 1. Diffraktionsdata för betesincidens som avslöjar gränssnittsstrukturen för alkyltiol Langmuir-monoskiktet (vänster) och guldnanokristallerna (höger) samtidigt.
(PhysOrg.com) -- Ibland kan naturen inte förbättras. Ett exempel är i syntesen av nanomaterial, som i laboratoriet eller fabriken generellt kräver giftiga kemikalier och extrema temperatur- och tryckförhållanden. Men under miljontals år, naturen har utvecklat sätt att sätta ihop oorganiska nanokristaller vid milda temperaturer och tryck. Vanligtvis denna process, känd som biomineralisering, involverar kalciumkarbonat eller fosfat för ändamål som att bygga ben eller skal, men en annan intressant variation ses i kristalliseringen av guld från lösning av vissa typer av bakterier. En grupp forskare har utarbetat ett unikt experiment för att efterlikna denna naturliga process av biomineralisering för att skapa orienterade guldnanokristaller och undersöka deras bildning vid U.S. Department of Energy Office of Sciences Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory.
Arbetar vid ChemMatCARS 15-ID strållinjen vid APS, forskarna från Northwestern University och University of Chicago flöt Langmuir monolager av oktadekantiol (C18S) på lösningar av klorourinsyra (HAuCl4) vid rumstemperatur och tryck, använde sedan en monokromatisk 10 keV röntgenstråle både som ett reduktionsmedel för att inducera guldkristallisation och som en sond för att undersöka gränsytan genom röntgendiffraktion (GID, grazing-incidence) Figur 1). (Experimenten upprepades vid sektor X14A av National Synchrotron Light Source för att bekräfta att resultaten inte var artefakter av uppställningen eller strålen.)
"Självsammansättning av organiska molekyler är välkänt och väl studerat på guldytor, och vi ville använda denna kunskap från det fältet för att odla guldnanopartiklar genom att använda en organisk mall, säger Ahmet Uysal, första författare till artikeln Physical Review Letters om gruppens resultat.
Fig. 2. Svepelektronmikrofotografi av en (111)-orienterad guldkristall undersökt efter experimentet.
Genom att täcka underytan av det flytande Langmuir-enkelskiktet med guld, försöksledarna vände i huvudsak om SAM (self-assembled monolayer) skapandeprocessen och använde den som en analog för biomineralisering. Medförfattaren Pulak Dutta noterade:"Alkylthiol SAMs har en struktur som perfekt matchar (111) ansiktet av guld. Inspirerad av detta, vi gjorde Langmuir-monoskikt på auroklorsyralösningar, och sedan odlade vi guldkristaller under dem genom att använda röntgenstrålar för att minska guldet."
Genom att göra så, tillade Uysal, "Vi kan se de molekylära interaktionerna vid gränssnittet, hur de organiska molekylstrukturerna förändras under processen, och även ytstrukturerna hos guldnanopartiklarna samtidigt. Istället för att trial and error metoder för att odla guld nanopartiklar, vi kan se processen pågå på nanoskala.” Arbetet ger viktiga insikter om de faktiska molekylära interaktionerna.
GID-topparna avslöjar att guldkristaller bildades på tiolytan, med en (111) orientering som motsvarar den organiska mallen. Prover av guldkristallerna avbildades med transmissionselektronmikroskopi (TEM), visar plattliknande hexagonala nanokristaller cirka 50 nm breda (Fig. 2). Tiolmonoskiktet beter sig som en mjuk mall, förändrar sig själv för att tillgodose bildandet av nanokristallerna.
Det är denna anpassningsförmåga hos monoskiktet som främjar tillväxten av de orienterade guldnanopartiklarna. "Det faktum att vi kan 'lura' guld till att växa på ett kristallografiskt orienterat sätt är den stora nyheten i denna tidning, ” påpekar Dutta. "Precis som med SAM, strukturen på det organiska monoskiktet matchar strukturen på guldytan, och denna gallermatch får guldkristaller att vilja växa med alla (111) plan pekade åt samma håll.”
Genom att visa en metod genom vilken organiska molekyler kan användas för att kontrollera formen, storlek, och kristallografisk orientering av oorganiska nanokristaller i en mild miljö, forskarna har öppnat en väg för utveckling av förbättrade tillverkningsprocesser för nanomaterial. Även om nuvarande tekniker som använder höga temperaturer och hårt vakuum ger stora utbyten, de är också dyrare och mindre miljövänliga. Uysal förklarar, "Att förstå grunderna för interaktionen kan hjälpa till att öka utbytet av dessa mer "gröna" metoder." Dutta tillägger att "det här är en process som sker under normala förhållanden. Det är sant att röntgenstrålar används för att minska guldet, men sådan reduktion kan också göras kemiskt, det är så bakterier gör det."
Nästa steg, säger Uysal, är "att kvantifiera rollen av kemin och strukturen av monoskiktet i guld nanopartikel orientering och form. Det finns andra funktionella grupper i levande organismer såsom amin- och karboxylgrupper. Vi vill se vad som fungerar och vad som inte fungerar. Det slutliga målet är, självklart, för att kunna designa mallar för önskade nanopartikelformer och orienteringar.” Dutta tillägger, "Genom att vara smart med att sätta rätt molekyler på mallen, vi borde kunna göra bättre material för fotonik eller andra ändamål.”
