Fig. 1. Datos de difracción de incidencia rasante que revelan la estructura de la interfaz de la monocapa de alquiltiol Langmuir (izquierda) y los nanocristales de oro (derecha) simultáneamente.
(PhysOrg.com) - A veces no se puede mejorar la naturaleza. Un ejemplo está en la síntesis de nanomateriales, que en el laboratorio o fábrica generalmente requiere químicos tóxicos y condiciones extremas de temperatura y presión. Pero durante millones de años la naturaleza ha desarrollado formas de juntar nanocristales inorgánicos a temperaturas y presiones suaves. Por lo general, este proceso, conocido como biomineralización, implica carbonato o fosfato de calcio para fines tales como la construcción de huesos o conchas, pero se observa otra variación interesante en la cristalización del oro a partir de la solución por ciertos tipos de bacterias. Un grupo de investigadores ha ideado un experimento único para imitar este proceso natural de biomineralización con el fin de crear nanocristales de oro orientados y examinar su formación en la Fuente de Fotones Avanzados (APS) de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional Argonne.
Trabajando en la línea de luz ChemMatCARS 15-ID en el APS, Los investigadores de la Universidad Northwestern y la Universidad de Chicago hicieron flotar monocapas Langmuir de octadecanotiol (C18S) en soluciones de ácido cloroáurico (HAuCl4) a temperatura y presión ambiente. luego empleó un haz de rayos X monocromático de 10 keV como agente reductor para inducir la cristalización del oro y como sonda para examinar la interfaz a través de difracción de rayos X de incidencia rasante (GID, Figura 1). (Los experimentos se repitieron en el sector X14A de National Synchrotron Light Source para confirmar que los resultados no eran artefactos de la configuración o del haz).
“El autoensamblaje de moléculas orgánicas es bien conocido y estudiado en superficies de oro, y queríamos utilizar este conocimiento de ese campo para cultivar nanopartículas de oro mediante el uso de una plantilla orgánica, ”Dice Ahmet Uysal, primer autor del artículo de Physical Review Letters sobre el resultado del grupo.
Fig. 2. Micrografía electrónica de barrido de un cristal de oro orientado (111) examinado después del experimento.
Al cubrir la superficie inferior de la monocapa flotante de Langmuir con oro, los experimentadores esencialmente invirtieron el proceso de creación de SAM (monocapa autoensamblada) y lo usaron como análogo para la biomineralización. El coautor Pulak Dutta señaló:“Los SAM de alquiltiol tienen una estructura que se adapta perfectamente a la cara (111) del oro. Inspirado por esto, hicimos monocapas de Langmuir en soluciones de ácido auroclórico, y luego cultivamos cristales de oro debajo de ellos mediante el uso de rayos X para reducir el oro ".
Al hacerlo, añadió Uysal, "Podemos ver las interacciones moleculares en la interfaz, cómo cambian las estructuras de las moléculas orgánicas durante el proceso, y también las estructuras superficiales de las nanopartículas de oro al mismo tiempo. En lugar de métodos de prueba y error para cultivar nanopartículas de oro, podemos ver el proceso que se lleva a cabo a nanoescala ”. El trabajo ofrece información importante sobre las interacciones moleculares reales.
Los picos de GID revelan que se formaron cristales de oro en la superficie del tiol, con una orientación (111) acorde con la plantilla orgánica. Se obtuvieron imágenes de muestras de los cristales de oro con microscopía electrónica de transmisión (TEM), mostrando nanocristales hexagonales en forma de placa de unos 50 nm de ancho (Fig. 2). La monocapa de tiol se comporta como una plantilla blanda, cambiando para adaptarse a la formación de los nanocristales.
Es esta adaptabilidad de la monocapa la que promueve el crecimiento de las nanopartículas de oro orientadas. “El hecho de que podamos 'engañar' al oro para que crezca de una manera cristalográficamente orientada es la principal noticia de este artículo, ”, Señala Dutta. "Al igual que con los SAM, la estructura de la monocapa orgánica coincide con la estructura de la superficie de oro, y esta combinación de celosía hace que los cristales de oro quieran crecer con todos los (111) planos apuntando de la misma manera ".
Al mostrar un método mediante el cual se pueden usar moléculas orgánicas para controlar la forma, Talla, y orientación cristalográfica de nanocristales inorgánicos en un ambiente templado, los investigadores han abierto un camino para el desarrollo de procesos mejorados de fabricación de nanomateriales. Aunque las técnicas actuales que utilizan altas temperaturas y vacío duro proporcionan grandes rendimientos, también son más caras y menos respetuosas con el medio ambiente. Uysal explica, “Comprender los conceptos básicos de la interacción puede ayudar a aumentar el rendimiento de estos métodos más 'verdes'”. Dutta agrega que “este es un proceso que ocurre en condiciones normales. Es cierto que los rayos X se utilizan para reducir el oro, pero dicha reducción también se puede hacer químicamente, que es como lo hacen las bacterias ".
El siguiente paso, dice Uysal, es “cuantificar el papel de la química y la estructura de la monocapa en la orientación y forma de las nanopartículas de oro. Hay otros grupos funcionales en los organismos vivos como los grupos amina y carboxilo. Queremos ver qué funciona y qué no. El objetivo final es, por supuesto, para poder diseñar plantillas para las formas y orientaciones de nanopartículas deseadas ”. Dutta agrega, "Al ser inteligente al colocar las moléculas correctas en la plantilla, deberíamos poder fabricar mejores materiales para la fotónica u otros fines ".
