Under de senaste åren har ultrasmå metallnanokluster låst upp framsteg inom områden som sträcker sig från bioavbildning och biosensing till bioterapi, tack vare deras unika molekylärliknande egenskaper.
I en studie publicerad i tidskriften Polyoxometalates , ett forskarlag från Qingdao University of Science and Technology föreslog en design för att syntetisera atomärt exakta, vattenlösliga legeringsnanokluster.
"Nyheten i denna studie är en ny strategi för syntes av vattenlösliga legeringsnanokluster och ett ytterligare bidrag till den grundläggande förståelsen av legeringsmekanismen för metallnanokluster", säger studieförfattaren Xun Yuan från Qingdao University of Science and Technology.
"Det slutliga målet är att utveckla sådana legerade nanokluster som ny nanomedicin," sa Yuan.
Nanokluster är gjorda av endast ett fåtal till tiotals atomer, och storleken på deras kärnor är vanligtvis under 2 nanometer (nm). Eftersom den extremt lilla storleken på klustren är nära Fermi-våglängden för elektroner, blir det kontinuerliga bandet diskontinuerligt och blir molekylliknande med diskreta energinivåer. Följaktligen uppvisar nanoklustren unika optiska och elektroniska egenskaper.
Nyligen genomförda studier har visat hur legerade nanokluster – syntetiserade genom att kombinera två eller flera olika metaller till ett monometalliskt nanokluster-ramverk – kan generera nya geometriska strukturer och ytterligare funktionalitet. Forskare kan "justera" de fysikaliska och kemiska egenskaperna (t.ex. optiska, katalytiska och magnetiska) hos metallnanokluster. Dessutom uppvisar legerade nanokluster ofta synergistiska eller nya egenskaper som går utöver monometalliska nanokluster.
Ökat intresse för potentiella möjligheter har sporrat den senaste tidens aktivitet för att utveckla nya metoder för att syntetisera legerade nanokluster. Men även om sambanden mellan legeringsnanoklusters storlek, morfologi och sammansättning och deras fysikalisk-kemiska egenskaper har visats väl, är frågor kring dopningsprocesser och de dynamiska svaren inte väl förstått, enligt Yuan.
"Dessa olösta problem beror huvudsakligen på de tekniska begränsningarna i att karakterisera legeringsatomfördelningen på atomnivå, särskilt i realtidsspårning av den dynamiska heteroatomrörelsen i legeringsnanopartiklarna under reaktionerna," sa Yuan.
Dessutom utnyttjades de flesta av dessa metoder för hydrofoba legeringsnanokluster, vilket kan utesluta syntes för vattenlösliga legeringsnanokluster. Med tanke på den breda tillämpningen av vattenlösliga legeringsnanokluster inom biomedicin och miljöskydd är det mycket viktigt att utveckla nya syntetiska strategier för vattenlösliga legeringsnanokluster på atomnivå.
Med detta mål i åtanke fann Yuan och medarbetare att sådd silver (Ag) joner kunde utlösa omvandlingen från guld (Au)-baserade nanokluster till legering Au18-x Agx (GSH)14 nanokluster som ytterligare kan transformeras till sammansättningsfixerad Au26 Ag(GSH)17 Cl2 nanokluster av guld (Au) joner - med GSH som betecknar vattenlösligt glutation. Dessutom positionen för den enda Ag-atomen i Au26 Ag(GSH)17 Cl2 nanokluster kunde identifieras på ytan.
"Våra resultat kan uppnå modulering på atomnivå av metallnanopartiklar och ge en plattform för att producera funktionella legeringsnanomaterial för specifika applikationer", säger Yuan. "Dessutom kan den förvärvade legeringsmekanismen fördjupa förståelsen av egenskaperna och prestanda hos legerade nanomaterial, vilket bidrar till genereringen av ny kunskap inom områdena nanomaterial, kemi och nanoklustervetenskap."
I framtida studier kommer forskarna att använda dessa legerade nanokluster för biomedicinska tillämpningar.
Mer information: Shuyu Qian et al, Metalljoninducerad legering och storlekstransformation av vattenlösliga metallnanokluster, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140049
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
