Kemiskt samma, grafit och diamanter är så fysiskt olika som två mineraler kan vara, en ogenomskinlig och mjuk, den andra genomskinlig och hård. Det som gör dem unika är deras olika arrangemang av kolatomer.

polymorfer, eller material med samma sammansättning men olika strukturer, är vanliga i bulkmaterial, och nu en ny studie i Naturkommunikation bekräftar att de finns i nanomaterial, för. Forskare beskriver två unika strukturer för det ikoniska guldnanoklustret Au144(SR)60, mer känd som Gold-144, inklusive en version som aldrig setts förut. Deras upptäckt ger ingenjörer ett nytt material att utforska, tillsammans med möjligheten att hitta andra polymorfa nanopartiklar.

"Det här tog fyra år att reda ut, sa Simon Billinge, en fysikprofessor vid Columbia Engineering och medlem av Data Science Institute. "Vi förväntade oss inte att klustren skulle ta på sig mer än ett atomärt arrangemang. Men denna upptäckt ger oss fler handtag att vända på när vi försöker designa kluster med nya och användbara egenskaper."

Guld har använts i mynt och smycken i tusentals år för dess hållbarhet, men krymp den till storlek 10, 000 gånger mindre än ett människohår, och det blir vilt instabilt och oförutsägbart. På nanoskala, guld gillar att dela isär andra partiklar och molekyler, gör det till ett användbart material för att rena vatten, avbildning och dödande av tumörer, och göra solpaneler mer effektiva, bland andra applikationer.

Även om en mängd olika nanogoldpartiklar och molekyler har tillverkats i labbet, mycket få har fått sitt hemliga atomarrangemang avslöjat. Men nyligen, ny teknik sätter dessa små strukturer i fokus.

Under ett tillvägagångssätt, högenergiröntgenstrålar avfyras mot ett prov av nanopartiklar. Avancerad dataanalys används för att tolka röntgenspridningsdata och härleda provets struktur, vilket är nyckeln till att förstå hur stark, reaktiva eller hållbara partiklarna kan vara.

Billinge och hans labb har banat väg för en metod, analysen av atomparfördelningsfunktionen (PDF), för att tolka dessa spridningsdata. För att testa PDF-metoden, Billinge bad kemister vid Colorado State University att göra små prover av Gold-144, ett nanogold-kluster i molekylstorlek som först isolerades 1995. Dess struktur hade teoretiskt förutspåtts 2009, och fastän aldrig bekräftat, Gold-144 har hittat många applikationer, inklusive vid vävnadsavbildning.

Hoppas att testet skulle bekräfta Gold-144:s struktur, de analyserade klustren vid European Synchrotron Radiation Source i Grenoble, och använde PDF-metoden för att sluta sig till deras struktur. Till deras förvåning, de hittade en kantig kärna, och inte den sfärliknande icosaedriska kärnan som förutspåtts. När de gjorde ett nytt prov och försökte experimentet igen, denna gång med synkrotroner vid Brookhaven och Argonne nationella laboratorier, strukturen kom tillbaka sfärisk.

"Vi förstod inte vad som hände, men gräver djupare, vi insåg att vi hade en polymorf, " sa studiemedförfattare Kirsten Jensen, tidigare postdoktor vid Columbia, nu kemiprofessor vid Köpenhamns universitet.

Ytterligare experiment bekräftade att klustret hade två versioner, ibland hittas tillsammans, var och en med en unik struktur som indikerar att de beter sig olika. Forskarna är fortfarande osäkra på om Gold-144 kan byta från en version till den andra eller, vad exakt, skiljer de två formerna åt.

För att göra sin upptäckt, forskarna löste det som fysiker kallar det omvända nanostrukturproblemet. Hur kan strukturen hos en liten nanopartikel i ett prov härledas från en röntgensignal som har beräknats i medeltal över miljontals partiklar, alla med olika inriktningar?

"Signalen är brusig och mycket försämrad, sa Billinge. Det är detsamma som att försöka känna igen om fågeln i trädet är en rödhake eller en kardinal, men bilden i din kikare är för suddig och förvrängd för att kunna sägas."

"Våra resultat visar kraften hos PDF-analys för att avslöja strukturen hos mycket små partiklar, ", tillade studiemedförfattare Christopher Ackerson, en kemiprofessor vid Colorado State. "Jag har försökt, av och på, i mer än 10 år för att få enkristallröntgenstrukturen hos Gold-144. Närvaron av polymorfer hjälper till att förklara varför denna molekyl har varit så resistent mot traditionella metoder."

PDF-metoden är en av flera rivaliserande metoder som utvecklas för att fokusera nanopartikelstrukturen. Nu när det har visat sig, det kan hjälpa till att påskynda arbetet med att beskriva andra nanostrukturer.

Det slutliga målet är att designa nanopartiklar efter deras önskade egenskaper, snarare än genom försök och misstag, genom att förstå hur form och funktion hänger ihop. Databaser med kända och förutspådda strukturer skulle kunna göra det möjligt att designa nya material med några få musklick.

Studien är ett första steg.

"Vi har haft en strukturmodell för den här ikoniska guldmolekylen i flera år och sedan kommer den här studien och säger att strukturen i grunden är rätt men den har en dubbelgängare, sa Robert Whetten, en professor i kemisk fysik vid University of Texas, San Antonio, som ledde laget som först isolerade Gold-144. "Det verkade befängt, att ha två distinkta strukturer som ligger bakom dess allestädes närvarande, men det här är ett vackert papper som kommer att övertyga många."