Kemister från Rice University har upptäckt att små guld-"frö"-partiklar, en nyckelingrediens i ett av de vanligaste nanopartikelrecepten, är en och samma som guldbuckyballs, 32-atoms sfäriska molekyler som är kusiner till kolbuckybollarna som upptäcktes på Rice i 1985.

Kolbuckyballs är ihåliga 60-atomers molekyler som medupptäcktes och namngavs av den avlidne riskemisten Richard Smalley. Han kallade dem "buckminsterfullerenes" eftersom deras atomstruktur påminde honom om arkitekten Buckminster Fullers geodetiska kupoler, och familjen "fullerener" har vuxit till att omfatta dussintals ihåliga molekyler.

2019 upptäckte Rice-kemisterna Matthew Jones och Liang Qiao att gyllene fullerener är guld-"frö"-partiklarna som kemister länge har använt för att tillverka guld-nanopartiklar. Fyndet kom bara några månader efter den första rapporterade syntesen av guld buckyballs, och det avslöjade att kemister omedvetet hade använt de gyllene molekylerna i decennier.

"Vad vi pratar om är, utan tvekan, den mest allmänt förekommande metoden för att generera något nanomaterial," sa Jones. "Och anledningen är att det bara är så otroligt enkelt. Du behöver ingen specialutrustning för det här. Gymnasieelever kan göra det."

Jones, Qiao och medförfattare från Rice, Johns Hopkins University, George Mason University och Princeton University ägnade år åt att sammanställa bevis för att verifiera upptäckten och publicerade nyligen sina resultat i Nature Communications .

Jones, biträdande professor i kemi och materialvetenskap och nanoteknik vid Rice, sa att kunskapen om att guldnanopartiklar syntetiseras från molekyler kan hjälpa kemister att avslöja mekanismerna för dessa synteser.

"Det är den stora bilden för varför det här arbetet är viktigt", sa han.

Jones sa att forskare upptäckte i början av 2000-talet hur man använder guldfröpartiklar i kemiska synteser som producerade många former av guldnanopartiklar, inklusive stavar, kuber och pyramider.

"Det är verkligen tilltalande att kunna kontrollera partikelformen, eftersom det förändrar många av egenskaperna", säger Jones, biträdande professor i kemi och materialvetenskap och nanoteknik vid Rice. "Det här är syntesen som nästan alla använder. Den har använts i 20 år, och under hela den tidsperioden beskrevs dessa frön helt enkelt som "partiklar."

Jones och Qiao, en före detta postdoktor i Jones labb, letade inte efter guld-32 2019, men de märkte det i masspektrometriavläsningar. Upptäckten av kol-60 buckyballs skedde på ett liknande sätt. Och tillfälligheter slutar inte där. Jones är Norman och Gene Hackerman biträdande professor i kemi vid Rice. Smalley, som delade 1996 års Nobelpris i kemi med Rices Robert Curl och Storbritanniens Harold Kroto, var en hackerman ordförande i kemi på Rice under många år innan han dog 2005.

Att bekräfta att de mycket använda fröna var guld-32-molekyler snarare än nanopartiklar tog åratal av ansträngning, inklusive toppmodern avbildning av Yimo Hans forskargrupp på Rice och detaljerade teoretiska analyser av grupperna av båda Rigoberto Hernandez vid Johns Hopkins och Andre Clayborne på George Mason.

Jones sa att skillnaden mellan nanopartikel och molekyl är viktig och en nyckel för att förstå studiens potentiella inverkan.

"Nanopartiklar är vanligtvis lika i storlek och form, men de är inte identiska," sa Jones. "Om jag gör en sats av 7 nanometer sfäriska guldnanopartiklar kommer vissa av dem att ha exakt 10 000 atomer, men andra kan ha 10 023 eller 9 092.

"Molekyler, å andra sidan, är perfekta", sa han. "Jag kan skriva ut en formel för en molekyl. Jag kan rita en molekyl. Och om jag gör en lösning av molekyler är de alla exakt likadana i antal, typ och anslutning av deras atomer."

Jones sa att nanoforskare har lärt sig hur man syntetiserar många användbara nanopartiklar, men framsteg har ofta kommit genom försök och misstag eftersom "det finns praktiskt taget ingen mekanistisk förståelse" av deras syntes.

"Problemet här är ganska okomplicerat", sa han. "Det är som att säga," Jag vill att du bakar en tårta till mig, och jag ska ge dig ett gäng vita pulver, men jag tänker inte berätta vad de är. Även om du har ett recept, om du inte vet vilka utgångsmaterialen är, är det en mardröm att ta reda på vilka ingredienser som gör vad."

"Jag vill att nanovetenskap ska vara som organisk kemi, där du kan göra i princip vad du vill, med vilka egenskaper du vill," sa Jones.

Han sa att organiska kemister har utsökt kontroll över materia "eftersom kemister före dem gjorde otroligt detaljerat mekanistiskt arbete för att förstå alla de exakta sätten på vilka dessa reaktioner fungerar. Vi är väldigt, väldigt långt ifrån det inom nanovetenskap, men det enda sättet vi ska göra någonsin komma dit är genom att utföra arbete som detta och mekanistiskt förstå vad vi börjar med och hur saker och ting formas."

Mer information: Liang Qiao et al, Atomiskt precisa nanokluster som huvudsakligen fröar guld-nanopartikelsynteser, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40016-3

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Rice University