Vår värld är full av mönster, från vridningen av en DNA-molekyl till Vintergatans spiral. Ny forskning från Carnegie Mellon -kemister har avslöjat att små, syntetiska guld nanopartiklar uppvisar några av naturens mest invecklade mönster.

Att avslöja kalejdoskopet för dessa mönster var en herkulös uppgift, och det är första gången som en nanopartikel av denna storlek har kristalliserats och dess struktur kartlagts atom för atom. Forskarna rapporterar sitt arbete i numret den 20 mars av Vetenskapens framsteg .

"När du tänker på olika forskningsområden eller till och med vår vardag, sådana här mönster, dessa hierarkiska mönster, är universella, sa Rongchao Jin, docent i kemi. "Vårt universum är verkligen vackert och när du ser den här typen av information i något så litet som en 133-atomig nanopartikel och lika stor som Vintergatan, det är verkligen fantastiskt. "

Guld nanopartiklar, som kan variera i storlek från 1 till 100 nanometer, är en lovande teknik som har tillämpningar inom ett brett spektrum av områden, inklusive katalys, elektronik, materialvetenskap och hälsovård. Men, för att använda guldnanopartiklar i praktiska tillämpningar, forskare måste först förstå de små partiklarnas struktur.

"Strukturen bestämmer i huvudsak partikelns egenskaper, så utan att känna till strukturen, du skulle inte kunna förstå egenskaperna och du skulle inte kunna funktionalisera dem för specifika applikationer, "sa Jin, en expert på att skapa atomärt exakta guldnanopartiklar.

Med denna senaste forskning, Jin och hans kollegor, inklusive doktorand Chenjie Zeng, har löst strukturen hos en nanopartikel, Au133, består av 133 guldatomer och 52 ytskyddande molekyler-den största nanopartikelstrukturen som någonsin lösts med röntgenkristallografi. Även om mikroskopi kan avslöja storleken, form och atomgitter av nanopartiklar, den kan inte urskilja ytstrukturen. Röntgenkristallografi kan, genom att kartlägga positionen för varje atom på nanopartiklarnas yta och visa hur de binder till guldkärnan. Att känna till ytstrukturen är nyckeln till att använda nanopartiklarna för praktiska tillämpningar, såsom katalys, och för att avslöja grundläggande vetenskap, såsom grunden för partikelns stabilitet.

Kristallstrukturen av Au133 nanopartikeln avslöjade många hemligheter.

"Med röntgenkristallografi, vi kunde se mycket vackra mönster, vilket var en mycket spännande upptäckt. Dessa mönster visas bara när nanopartikelstorleken blir tillräckligt stor, " sa Jin.

Under produktionen, Au133-partiklarna monteras själv i tre lager inom varje partikel:guldkärnan, ytmolekylerna som skyddar den och gränssnittet mellan de två. I kristallstrukturen, Zeng upptäckte att guldkärnan är i form av en ikosaeder. I gränssnittet mellan kärnan och de ytskyddande molekylerna finns ett lager av svavelatomer som binder till guldatomerna. Kombinationerna svavel-guld-svavel staplas till stegliknande spiralformade strukturer. Till sist, fäst vid svavelmolekylerna är ett yttre lager av ytskyddande molekyler vars kolsvansar monteras själv i fyrfaldiga virvlar.

"De spiralformade funktionerna påminner oss om en DNA -dubbelspiral och det roterande arrangemanget av kolsvansarna påminner om hur vår galax är arrangerad. Det är verkligen fantastiskt, " sa Jin.

Dessa speciella mönster är ansvariga för den höga stabiliteten hos Au133 jämfört med andra storlekar av guldnanopartiklar. Forskarna testade också de optiska och elektroniska egenskaperna hos Au133 och fann att dessa guldnanopartiklar inte är metalliska. I vanliga fall, guld är en av de bästa ledarna för elektrisk ström, men storleken på Au133 är så liten att partikeln ännu inte har blivit metallisk. Jins grupp testar för närvarande nanopartiklarna för användning som katalysatorer, ämnen som kan öka hastigheten för en kemisk reaktion.