(Phys.org)—I en handling av "nano-alkemi, " forskare har syntetiserat ett silver (Ag) nanokluster som är praktiskt taget identiskt med ett guld (Au) nanokluster. På utsidan, nanoklustret i silver har en gyllengul färg, och på insidan, dess kemiska struktur och egenskaper efterliknar också de hos dess guldmotsvarighet. Arbetet visar att det kan vara möjligt att skapa silvernanopartiklar som ser ut och beter sig som guld trots underliggande skillnader mellan de två elementen, och kan leda till att liknande analoger skapas mellan andra par av element.

Forskarna, ledd av Osman Bakr, Docent i materialvetenskap och teknik vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien, har publicerat tidningen i ett färskt nummer av Journal of the American Chemical Society .

"I vissa aspekter, detta är väldigt likt alkemi, men vi kallar det 'nano-alkemi, '" berättade Bakr Phys.org . "När vi först mötte det optiska spektrumet av silvernanokluster, vi trodde att vi oavsiktligt kan ha bytt ut de kemiska reagensen mot silver med guld, och slutade med guldnanopartiklar istället. Men upprepad syntes och mätningar visade att klustren verkligen var silver och ändå visar egenskaper som liknar guld. Det var verkligen överraskande för oss som forskare att inte bara hitta likheter i färg och optiska egenskaper, men också röntgenstrukturen."

Liksom alla kemiska grundämnen, silver och guld definieras av deras antal protoner:silver har 47, och guld har 79. Arbetet här ändrar inte antalet protoner i en silveratom; annars skulle det inte längre betraktas som silver. Istället, forskarna syntetiserade ett nanokluster med 25 silveratomer, tillsammans med 18 andra molekyler som kallas "ligander" som omger silveratomerna. Hela det negativt laddade, silverbaserad komplexjon har den kemiska formeln [Ag ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- .

Även om några andra silvernanokluster har syntetiserats under de senaste åren, detta är det första nanoklustret i silver som har en matchande analog i guld:[Au ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- har tidigare rapporterats. Förutom att båda nanokluster har 25 metallatomer och 18 ligander, de båda har också alla sina atomer och elektroner ordnade på nästan exakt samma sätt.

I deras studie, forskarna utförde tester som visade att nanoklustren i silver och guld har mycket likartade optiska egenskaper. Vanligtvis, silver nanokluster är bruna eller röda till färgen, men den här ser precis ut som guld eftersom den avger ljus med nästan samma våglängd (runt 675 nm) som guld. Den gyllene färgen kan förklaras av att båda nanoklustren har praktiskt taget identiska kristallstrukturer.

Forskarna undersökte silvernanoklustrets kristallstruktur med hjälp av röntgendiffraktion, där en röntgenstråle träffar den kristalliserade strukturen och reflekteras i olika vinklar för att skapa ett diffraktionsmönster på en detektor. Denna teknik avslöjade att silvernanoklustret har en silveratom i mitten av en 12-uddig stjärnliknande form som kallas en ikosaeder. Medan 12 av de andra silveratomerna bildar de 12 punkterna, de återstående 12 silveratomerna upptar några av ansiktena. Detta arrangemang är nästan exakt som det för guldnanoklustret, förutom att tre av atomerna på silvernanoklustrets ytor är vända i en annan riktning. Så vitt forskarna kan säga, orienteringen av dessa tre atomer är den enda anmärkningsvärda strukturella skillnaden mellan silver och guld nanokluster, och det orsakar en lätt förvrängning i silvernanoklusterna.

Frågan uppstår naturligtvis:varför är dessa silver- och guldnanokluster så lika, när enskilda atomer av silver och guld är mycket olika, när det gäller deras optiska och strukturella egenskaper? Som Bakr förklarade, svaret kan ha att göra med det faktum att, även om det är större i storleken, nanoklustren beter sig som "superatomer" i den meningen att deras elektroner kretsar runt hela nanoklustret som om det vore en enda jätteatom. Dessa superatomära orbitaler i silver och guld nanokluster är mycket lika, och, i allmänhet, en atoms elektronkonfiguration bidrar väsentligt till dess egenskaper.

"Storleksskalan för nanopartiklar ligger mellan atomer/molekyler och bulkmaterial, där den absoluta regeln för varken kvantfysik eller klassisk fysik observeras, " förklarade Bakr. "Men, Ag-nanopartikeln vi syntetiserade var så liten i storlek att den faktiskt beter sig mycket som en atom, dvs. en superatom. Eftersom den strukturella ramen för Ag ₂₅ är nästan identisk med Au ₂₅ , som gör liknande atomarrangemang i 3D-rymden, detta speciella atomarrangemang möjliggör hybridisering av Ag-atomorbitaler och ligandorbitaler (de organiska molekylerna som omger metallen) i Ag ₂₅ att producera superatomära orbitaler som liknar den välkända Au ₂₅ systemet. Detta kan vara huvudorsaken till likheterna som observerats mellan Ag- och Au-klustren, vilket kanske inte är möjligt att uppnå med enskilda atomer eller bulkmaterial."

Medan resultaten här visar att silver kan förvärva egenskaperna hos guld, det omvända kan också vara möjligt, med guld som syntetiseras för att se ut och bete sig som silver.

"Om silver kan förvärva egenskaper hos guld, det finns ingen uppenbar anledning till att det omvända inte skulle vara möjligt, " sa Bakr.

Denna dualitet, där en typ av atom förvärvar egenskaperna hos en annan, har potential att erbjuda oöverträffade förmågor inom nanovetenskaplig forskning, och är ett område som forskarna planerar att undersöka mer i framtiden.

Forskarna hoppas också att resultaten ska leda till en bättre förståelse för de grundläggande skillnaderna mellan guld och silver. Till exempel, även om båda materialen är glänsande metaller, guld är relativt biokompatibelt och undersöks för biomedicin, medan silver är cytotoxiskt och används i antibakteriella ytbeläggningar. Frågor som dessa kan besvaras genom att sudda ut linjerna mellan elementen som vi känner dem.

"Vår framtida plan är att syntetisera andra storlekar av guldkluster och andra metallanaloger av guldnanopartiklar för att undersöka om dessa kluster fortfarande skulle visa beteendet hos guld eller inte, ", sa Bakr. "Vårt mål är att hitta billigare substitut för guld i applikationer där guldnanopartiklar krävs."

© 2015 Phys.org