Proton -NMR -spektrumet härrör från ligandskiktet i Au102 -nanopartikeln i vatten (vänster). Spektrumet har tolkats fullt ut genom att tilldela de observerade signalerna (toppar) till alla 22 symmetriunika tiolligander numrerade i fast tillståndsstrukturen hos Au102-partikeln (höger). Från ref. 1.
Forskare vid universitetet i Jyväskylä, Finland, och Colorado State University, USA, har för första gången någonsin bestämt det dynamiska beteendet för ligandskiktet i ett vattenlösligt guld-nanokluster i lösning. Genombrottet öppnar en väg mot kontrollerbara strategier för funktionalisering av ligerade nanopartiklar för applikationer. Arbetet vid Jyväskylä universitet fick stöd av Finlands Akademi. Forskningen publicerades i Naturkommunikation den 21 januari 2016.
Nanometerskaliga guldpartiklar undersöks intensivt för tillämpningar som katalysatorer, sensorer, läkemedelsleveransanordningar och biologiska kontrastmedel och som komponenter i fotonik och molekylär elektronik. De minsta partiklarna har metallkärnor på endast 1–2 nm med några tiotal till ett par hundra guldatomer. Deras metallkärnor täcks av ett stabiliserande organiskt ligandskikt. Molekylformlerna och solid-state atomstrukturen för många av dessa föreningar, kallas "kluster", har lösts under de senaste åren. Fortfarande, Det är en stor utmaning att förstå deras atomskala struktur och dynamiska beteende i lösningsfasen. Detta är viktig information som kan hjälpa forskare att förstå hur nanokluster interagerar med miljön.
Forskarna studerade ett tidigare identifierat molekylärt exakt nanokluster som har 102 guldatomer och 44 tiolligander (figur 1, höger). Solid-state strukturen för detta kluster löstes från enkristalliga röntgendiffraktionsförsök 2007. Ligandskalet har en låg symmetri och producerar ett stort antal signaler vid konventionell proton-NMR-mätning (figur 1, vänster). Forskarna uppnådde en fullständig tilldelning av alla signaler till specifika tiolligander genom att använda en kombination av korrelerade kärnmagnetiska resonans (NMR) experiment, densitetsfunktionella teoriräkningar och molekylära dynamiksimuleringar.
De finska forskarna på Jyväskylä har tidigare använt detta specifika klustermaterial, till exempel, för strukturstudier av enterovirus.
"Nu när vi vet exakt vilken ligand som producerar vilken NMR -signal, vi kan fortsätta med exakta studier om hur denna nanokluster interagerar med den kemiska och biologiska miljön i vattenfasen. Detta ger en aldrig tidigare skådad potential att förstå och kontrollera de oorganiska-organiska gränssnitt som är relevanta för hybrid oorganiska-biologiska material, "säger akademiprofessorn Hannu Häkkinen från Nanoscience Center vid Jyväskylä universitet. Häkkinen samordnade det finsk-amerikanska teamets arbete.
