Metallnanokluster som bär avstämbara ytligander kan hjälpa till att utveckla nästa generations avbildnings- och fotokatalytiska metoder, föreslår arbete av KAUST-forskare.

Metall nanokluster, vanligtvis mindre än två nanometer i storlek, uppvisar unika fysikaliska och kemiska egenskaper som är användbara för en mängd olika tillämpningar, allt från katalys och avkänning till bildbehandling och läkemedelstillförsel. Dessa egenskaper beror på storleken och stabiliteten hos nanoklustren. Flera ligander har visat sig effektiva för att stabilisera nanoklustren och ställa in deras egenskaper enligt specifika användningsområden. Dock, dessa storleksberoende egenskaper är fortfarande svåra att utnyttja.

Silver nanokluster tenderar att ha låg stabilitet. Även om vissa av dessa nanokluster förblir stabila under några dagar, de flesta sönderfaller inom några minuter, förklarar Ph.D. elev Laila Khalil. Denna bortgång belyser behovet av stabiliserande ligander som också kan förbättra de optiska egenskaperna hos dessa nanokluster.

Nu, ett team ledd av Niveen Khashab har utarbetat ett sätt att öka stabiliteten. De utvecklade svavelbaserade ligander med en stor cyklisk funktionell grupp som kallas pillararen. Dessa ligander kan samtidigt stabilisera silvernanokluster. De har en cylindrisk hålighet som kan rymma små molekyler, eller gäster, och binder selektivt till dessa gäster genom icke-kovalenta interaktioner.

"Vi skapar och syntetiserar system som efterliknar naturlig design, säger Khalil för att förklara varför teamet bestämde sig för att producera en makrocyklisk tiolligand. Till skillnad från typiska makrocykelbaserade ligander, såsom de hydrofoba och konformade calixarenerna, pillararener är elektronrika cylindriska strukturer som lätt kan modifieras med hjälp av olika funktionella grupper, vilket gör att de kan hålla elektronfattiga och neutrala föreningar i sin hålighet. Detta förväntas bredda utbudet av potentiella gästmolekyler och följaktligen möjligheten att skräddarsy egenskaperna hos nanoklustren.

De pillararen-funktionaliserade nanoklustren förblev stabila i fyra månader när de förvarades i mörker och i upp till sju dagar när de exponerades för dagsljus. Deras fotoluminescens steg 30 gånger när en neutral amin användes som gästmolekyl. Tillsats av det katjoniska ytaktiva medlet cetrimoniumbromid inducerade en 2000-faldig ökning av fotoluminescens som var synlig för blotta ögat, och det överträffade även andra atomärt precisa nanokluster. Forskarna visade att starkare bindning mellan gästmolekyler och nanokluster ledde till en mer uttalad ökning av fotoluminescens. Detta tyder på att den dramatiska ökningen av utsläpp är resultatet av interaktioner mellan värd och gäst.

Detta system kan ha användbara biologiska tillämpningar, särskilt icke-invasiv djupvävnadsavbildning, " säger Khalil. Detta kommer att hjälpa till att diagnostisera sjukdomar, såsom hudcancer och hjärnanomalier.