A*STAR -forskare har tagit fram ett sätt att destabilisera guldnanokluster så att de bildar små atomkärnor som sedan växer ihop till perfekt proportioner, 12-sidiga dodekaederkristaller. Dessa unika polyeder har energirika ytor som kan öka den katalytiska effektiviteten hos viktiga kemiska reaktioner och fungera som potentiella adsorptionsplatser för riktade sensorenheter.

Vanligtvis, guldnanokluster framställs genom att kemiskt reducera ett guld -svavelprekursor i närvaro av ett organiskt stabiliseringsmedel. Detta förfarande skapar en symmetrisk kärna av guldatomer skyddade av ett tunt lager av ytgrupper som kallas tiolater. Forskare har utvecklat många tekniker för att variera storleken på nanoklusterna för att justera deras kemiska och fysiska egenskaper. Men att destabilisera guldtiolatbindningar för att möjliggöra ytterligare omvandlingar till polyedriska kristaller har visat sig vara mer utmanande.

För att ta itu med denna fråga, ett tvärvetenskapligt team som leds av Yong-Wei Zhang från Institute of High Performance Computing och Ming-Yong Han från Institute of Materials Research and Engineering på A*STAR i Singapore undersökte strategier för att destabilisera guldkluster genom att oxidera de ytskyddande tiolaterna. Medan det lovar, detta tillvägagångssätt har sina risker:tidigare försök med ozondestabiliseringsmedel producerade okontrollerad aggregering av guldatomer till makroskopiska fällningar.

Forskarna undersökte om byte till ett mildare väteperoxiddestabiliseringsmedel skulle ge mer gynnsamma resultat. De syntetiserade först en lösning av 25-atomiga guldkluster stabiliserade av yttre lager av bovint serumalbumin (BSA). När väteperoxid tillsattes till blandningen, lagets masspektrometriinstrument visade att kovalenta guld -svavelbindningar långsamt sprack.

Denna peroxidbaserade destabilisering producerade initialt mindre 11-atomiga guldkluster. Men efter att ha suttit i nästan en vecka i rumstemperatur, dessa kluster förvandlades till anmärkningsvärda dodekaederformer (se bild).

Högupplöst skanningselektronmikroskopi avslöjade att varje fasett på dodekaedran hade identiska kristallografiska orienteringar-en sällsynt fördelning av guldatomer som kallas en [110] fasett. Densitetsfunktionella teoriberäkningar initierade av medförfattare Guijian Guan visade att dessa ovanliga strukturer uppstår när aminosyror som frigörs från BSA under destabiliseringsreaktionen fäster till nanopartiklarna och främjar tillväxt i varje kristallriktning utom [110] -orienteringen.

Guan förklarar att eftersom [110] fasetter har de högsta ytenergierna bland vanliga guldfasetter, de presenterar starka attraktionskrafter för inkommande molekyler - ett fenomen som förbättrar den katalytiska kapaciteten på grund av en starkare bindningsaffinitet till målmolekyler. "Till exempel, vi observerade en fyrfaldig förbättring av katalytisk förmåga för våra dodekaeder jämfört med guldnanopartiklar under minskningen av 4-nitrofenol till 4-aminofenol, "konstaterar han.