Forskare från University of Georgia ger ny innebörd åt frasen "att förvandla rost till guld" - och gör användningen av guld i forskningsmiljöer och industriella tillämpningar mycket mer överkomliga.

Forskningen är besläktad med en typ av modern alkemi, sa Simona Hunyadi Murph, adjungerad professor vid UGA Franklin College of Arts and Sciences avdelning för fysik och astronomi. Forskare kombinerar små mängder guldnanopartiklar med magnetiska rostnanopartiklar för att skapa en hybridnanostruktur som behåller både guldets och rostens egenskaper.

"Medeltida alkemister försökte skapa guld från andra metaller, " sa hon. "Det är ungefär vad vi gjorde med vår forskning. Det är inte riktig alkemi, i medeltida mening, men det är en sorts 2000-talsversion."

Guld har länge varit en värdefull resurs för industrin, medicin, tandvård, datorer, elektronik och flyg, bland andra, på grund av unika fysikaliska och kemiska egenskaper som gör den inert och motståndskraftig mot oxidation. Men på grund av dess höga kostnad och begränsade utbud, storskaliga projekt som använder guld kan vara oöverkomliga. På nanoskala, dock, att använda en mycket liten mängd guld är mycket billigare.

I den nya studien som publicerades i somras i Journal of Physical Chemistry C , forskarna använde lösningskemi för att reducera guldjoner till en metallisk guldstruktur med hjälp av natriumcitrat. I denna process, om andra ingredienser - i detta fall rost - finns i reaktionskärlet under omvandlingsprocessen, de metalliska guldstrukturerna kärnor och växer på dessa "ingredienser, " annars känd som stöd.

"Vi är verkligen glada över att dela med oss ​​av våra nya upptäckter. När forskare tittar på guld som ett potentiellt material för forskning, vi pratar om hur dyrt guld är. För första gången någonsin, vi har kunnat skapa en ny klass av billigare, högeffektiv, giftfri, magnetiskt återanvändbara hybridnanomaterial som innehåller ett mycket rikligare material - rost - än den typiska ädelmetallen guld, sa Murph, som också är huvudforskare i National Security Directorate vid Savannah River National Laboratory i Aiken, South Carolina.

När material bryts ner i storlek för att nå dimensioner i nanometerskala-1-100 nanometer, vilket är cirka 100, 000 gånger mindre än diametern på människohår - dessa ämnen kan få nya egenskaper. Till exempel, bulkguld uppvisar inte katalytiska egenskaper; dock, på nanoskala, guld är en effektiv katalysator, accelererande kemisk förändring för många reaktioner inklusive oxidation, väteproduktion eller reduktion av aromatiska nitroföreningar.

Guldnanopartiklar av olika storlekar och former uppvisar olika färger när de träffas av ljus eftersom de absorberar och sprider ljus vid specifika våglängder, känd som plasmoniska resonanser. Dessa plasmoniska resonanser är av särskilt intresse för biologiska tillämpningar. Om någon lyser på guldnanopartiklarna, det absorberade ljuset kan omvandlas till värme i omgivande media, och om bakterier eller cancerceller finns i närheten av sådana guldnanopartiklar, de kan förstöras genom att använda ljus med lämplig våglängd. Detta fenomen är känt som fototermisk terapi.

Genom att ersätta en del av nano-guldet med magnetisk nano-rost, forskare visar att hybridnanostrukturerna av guld och rost kan fototermiskt värma omgivande media lika effektivt som nanopartiklar av rena guld, även med en betydligt mindre koncentration av guld.

"På ett sätt, vi har gjort lite bättre än alkemi, sa George Larsen, medutredare och postdoktor i Group for Innovation and Advancements in Nano-Technology Sciences vid Savannah River National Laboratory, "eftersom dessa nya hybridnanopartiklar inte bara beter sig bättre än guld i vissa fall, men har också magnetisk funktion."

Murph och hennes team tittade på tre olika former av hybridnanopartiklar i dessa forskningssfärer, ringar och rör.

"En annorlunda formad nanopartikel betyder att atomerna är ordnade olika - i kuber, hexagoner eller trianglar, till exempel, " sa hon. "Ett annat atomarrangemang betyder olika packningsdensiteter, avstånd mellan atomer, defekter, ytarea och ytenergier. Olika former leder till en ökad atomarea som utsätts för att katalysera en kemisk reaktion. Vetenskapligt sett, olika form betyder olika kristallografiska aspekter och ytenergi som kan leda till högre katalytisk aktivitet och olika katalytiska produkter.

"Resultaten av vår forskning visade att de ring- och rörformade hybridnanopartiklarna visade sig vara bättre katalytiska material än de sfärformade nanopartiklarna på grund av hur atomerna är ordnade i strukturen på denna nanoskala. Ännu viktigare, hybridnanopartiklarna av guld och rost är bättre katalysatorer än enbart guldnanopartiklar, även med en betydligt mindre mängd guld.

När dessa olika formade hybridnanopartiklar exponerades för ljus med specifik våglängd, sfärerna värmde upp lösningen till något högre temperaturer än de ring- eller rörformade nanopartiklarna.

"Detta kan ha en mängd olika biologiska tillämpningar som spårning, läkemedelstillförsel eller avbildning inuti kroppen, " sa Murph. "Om du matar dessa guldnanopartiklar till bakterier och lyser upp dem, du kan förstöra dessa genom att bara använda ljus."

Hybridstrukturerna kan också användas för nya tillämpningar, såsom avkänning, hypertermi behandling, miljövård och skydd för medicinsk bildbehandling inklusive magnetisk resonansbildkontrastmedel, produktdetektering och manipulation.

Forskningsstudien, "Multifunktionella hybrid Fe2O3-Au nanopartiklar för effektiv plasmonisk uppvärmning, " finns på www.jove.com/video/53598/multi … -efficient-plasmonic .