Även om forskare i decennier har kunnat syntetisera nanopartiklar i labbet, processen är mestadels trial and error, och hur bildningen faktiskt går till är oklar. Dock, en studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation av kemiingenjörer vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering förklarar hur metallnanopartiklar bildas.

"Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1038/ncomms15988) var medförfattare av Giannis Mpourmpakis, biträdande professor i kemi- och petroleumteknik, och doktorand Michael G. Taylor. Forskningen, slutförd i Mpourmpakis datorstödda nano- och energilab (C.A.N.E.LA.), finansieras genom ett National Science Foundation CAREER-pris och överbryggar tidigare forskning fokuserad på att designa nanopartiklar för katalytiska tillämpningar.

"Även om det finns omfattande forskning om syntes av metallnanopartiklar, det finns verkligen ingen rationell förklaring till varför en nanopartikel bildas, Dr. Mpourmpakis sa. "Vi ville undersöka inte bara de katalytiska tillämpningarna av nanopartiklar, men att ta ett steg längre och förstå nanopartikelstabilitet och bildning. Denna nya termodynamiska stabilitetsteori förklarar varför ligandskyddade metallnanokluster stabiliseras vid specifika storlekar."

En ligand är en molekyl som binder till metallatomer för att bilda metallkärnor som stabiliseras av ett skal av ligander, och så att förstå hur de bidrar till nanopartikelstabilisering är avgörande för alla processer för nanopartikelapplikation. Dr Mpourmpakis förklarade att tidigare teorier som beskrev varför nanokluster stabiliserades vid specifika storlekar baserades på empiriska regler för elektronräkning - antalet elektroner som bildar en elektronisk struktur med slutet skal, men visar begränsningar eftersom det har funnits metallnanokluster experimentellt syntetiserade som inte nödvändigtvis följer dessa regler.

"Det nya med vårt bidrag är att vi avslöjade att för experimentellt syntetiserbara nanokluster måste det finnas en fin balans mellan den genomsnittliga bindningsstyrkan för nanoklustrets metallkärna, och bindningsstyrkan hos liganderna till metallkärnan, " sa han. "Vi skulle då kunna relatera detta till de strukturella och sammansättningsmässiga egenskaperna hos nanoklustren, som storlek, antal metallatomer, och antal ligander.

"Nu när vi har en mer fullständig förståelse för denna stabilitet, vi kan bättre skräddarsy nanopartikelmorfologierna och i sin tur egenskaper, till tillämpningar från biomärkning av enskilda celler och riktad läkemedelsleverans till katalytiska reaktioner, skapa mer effektiva och hållbara produktionsprocesser."