Gouden buckyballs, vaak gebruikte ‘zaden’ van nanodeeltjes die een en dezelfde blijken te zijn

Chemici van de Rice University hebben ontdekt dat kleine gouddeeltjes, een belangrijk ingrediënt in een van de meest voorkomende nanodeeltjesrecepten, dezelfde zijn als gouden buckyballs, bolvormige moleculen van 32 atomen die neefjes zijn van de koolstof buckyballs die in Rice in Rice zijn ontdekt. 1985.

Koolstof-buckyballs zijn holle moleculen van 60 atomen die mede werden ontdekt en genoemd door wijlen Rice-chemicus Richard Smalley. Hij noemde ze “buckminsterfullerenen” omdat hun atomaire structuur hem deed denken aan de geodetische koepels van architect Buckminster Fuller, en de “fullereen”-familie is uitgegroeid tot tientallen holle moleculen.

In 2019 ontdekten Rice-chemici Matthew Jones en Liang Qiao dat gouden fullerenen de gouden “zaad” -deeltjes zijn die chemici al lang gebruiken om gouden nanodeeltjes te maken. De vondst kwam slechts een paar maanden na de eerste gerapporteerde synthese van gouden buckyballs, en het onthulde dat chemici onbewust de gouden moleculen al tientallen jaren gebruikten.

“Waar we het over hebben, is misschien wel de meest alomtegenwoordige methode om nanomateriaal te genereren, ” zei Jones. “En de reden is dat het gewoon zo ongelooflijk eenvoudig is. Je hebt hier geen speciale apparatuur voor nodig. Middelbare scholieren kunnen het.”

Jones, Qiao en co-auteurs van Rice, Johns Hopkins University, George Mason University en Princeton University hebben jaren besteed aan het verzamelen van bewijs om de ontdekking te verifiëren, en publiceerden onlangs hun resultaten in Natuurcommunicatie.

Jones, een assistent-professor in chemie en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice, zei dat de kennis dat gouden nanodeeltjes worden gesynthetiseerd uit moleculen chemici zou kunnen helpen de mechanismen van die syntheses bloot te leggen.

“Dat is het grote plaatje waarom dit werk belangrijk is,” zei hij.

Jones zei dat onderzoekers begin jaren 2000 ontdekten hoe ze goudzaaddeeltjes konden gebruiken in chemische syntheses die vele vormen van gouden nanodeeltjes produceerden, waaronder staven, kubussen en piramides.

“Het is heel aantrekkelijk om de deeltjesvorm te kunnen beheersen, omdat dat veel van de eigenschappen verandert”, zegt Jones, een assistent-professor in scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice. “Dit is de synthese die bijna iedereen gebruikt. Het wordt al 20 jaar gebruikt en gedurende die hele periode werden deze zaden simpelweg beschreven als ‘deeltjes’.”

Jones en Qiao, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het lab van Jones, waren in 2019 niet op zoek naar goud-32, maar ze merkten het op in massaspectrometrische metingen. De ontdekking van koolstof-60 buckyballs gebeurde op een vergelijkbare manier. En daar houden de toevalligheden niet op. Jones is de assistent-professor scheikunde van Norman en Gene Hackerman bij Rice. Smalley, die in 1996 de Nobelprijs voor Scheikunde deelde met Robert Curl van Rice en Harold Kroto uit het Verenigd Koninkrijk, was tot aan zijn dood in 2005 vele jaren Hackerman-leerstoel scheikunde bij Rice.

Het kostte jaren van inspanning om te bevestigen dat de veelgebruikte zaden goud-32-moleculen waren in plaats van nanodeeltjes, inclusief ultramoderne beeldvorming door de onderzoeksgroep van Yimo Han in Rice en gedetailleerde theoretische analyses door de groepen van beide Rigoberto Hernandez bij Johns Hopkins en Andre Clayborne bij George Mason.

Jones zei dat het onderscheid tussen nanodeeltje en molecuul belangrijk is en een sleutel tot het begrijpen van de potentiële impact van de studie.

“Nanodeeltjes zijn meestal vergelijkbaar in grootte en vorm, maar ze zijn niet identiek,” zei Jones. “Als ik een batch van bolvormige gouden nanodeeltjes van 7 nanometer maak, zullen sommige precies 10.000 atomen hebben, maar andere misschien 10.023 of 9.092.

“Moleculen daarentegen zijn perfect”, zei hij. “Ik kan een formule voor een molecuul uitschrijven. Ik kan een molecuul tekenen. En als ik een oplossing van moleculen maak, zijn ze allemaal precies hetzelfde wat betreft het aantal, het type en de connectiviteit van hun atomen.”

Jones zei dat nanowetenschappers hebben geleerd hoe ze veel bruikbare nanodeeltjes kunnen synthetiseren, maar de vooruitgang is vaak gekomen door vallen en opstaan, omdat “er vrijwel geen mechanistisch begrip is” van hun synthese.

“Het probleem hier is vrij eenvoudig,” zei hij. “Het is alsof je zegt: ‘Ik wil dat je een cake voor me bakt, en ik ga je een bos witte poeders geven, maar ik ga je niet vertellen wat ze zijn.’ Zelfs als je een recept hebt, als je niet weet wat de uitgangsmaterialen zijn, is het een nachtmerrie om erachter te komen welke ingrediënten wat doen.”

“Ik wil dat nanowetenschap lijkt op organische chemie, waar je in wezen kunt maken wat je maar wilt, met welke eigenschappen je maar wilt,” zei Jones.

Hij zei dat organische chemici een voortreffelijke controle over materie hebben “omdat chemici vóór hen ongelooflijk gedetailleerd mechanistisch werk hebben verricht om alle precieze manieren waarop die reacties werken te begrijpen. We zijn daar heel, heel ver van verwijderd in de nanowetenschap, maar de enige manier waarop we zullen om daar ooit te komen, is door dit soort werk te doen en mechanisch te begrijpen waar we mee beginnen en hoe de dingen ontstaan. Dat is het uiteindelijke doel.’