Tan recientemente como hace veinticinco años, los químicos consideraban que el oro era uno de los elementos metálicos más inertes, hasta que el descubrimiento de que las dispersiones de oro del tamaño de nanoescala tenían una alta actividad catalítica obligó a repensar los viejos principios. Los investigadores pronto descubrieron que las nanopartículas de oro podrían promover muchas reacciones de importancia industrial, como la eliminación del gas nocivo monóxido de carbono de las corrientes de emisión. Si bien los beneficios del oro a nanoescala están bien atestiguados, preparar el material en una forma duradera y reutilizable sigue siendo un desafío importante que limita su aceptación por parte de los fabricantes.

El trabajo de los equipos de Ming-Yong Han del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales y Yong-Wei Zhang del Instituto de Computación de Alto Rendimiento en A * STAR ha revelado que la estabilidad de los catalizadores de nanopartículas de oro se puede mejorar recubriéndolos con Capas protectoras de titania (TiO2). Concebido por el coautor Zhi Wei Seh, un Académico Nacional de Ciencias A * STAR, esta nueva técnica produce las denominadas nanoestructuras de Janus que retienen casi toda la actividad catalítica de las nanopartículas de oro desnudo sin sufrir una agregación irreversible que disminuya la reactividad de estas últimas.

Nombrado en honor al dios romano de dos caras de los comienzos y las transiciones, Las nanoestructuras de Janus unen dos o más componentes del mismo tamaño a través de uniones muy pequeñas, una disposición que maximiza el área de superficie activa de cada sustancia. Los efectos beneficiosos de combinar nanopartículas de oro con titania son bien conocidos, pero hasta el trabajo de los investigadores de A * STAR, una comprensión detallada del mecanismo por el cual estas dos especies se fusionan había resultado difícil de alcanzar.

Han y sus colaboradores utilizaron un compuesto quelante no convencional llamado bis (acetilacetonato) de diisopropóxido de titanio para nuclear el crecimiento de TiO2 en oro a velocidades extremadamente lentas. Al controlar cuidadosamente la adición de este reactivo a las nanopartículas de oro de forma esférica y de varilla, los investigadores observaron tres nanoestructuras distintas (ver imagen):una geometría de Janus; una geometría "excéntrica" ​​parcialmente encapsulada; y una disposición "concéntrica" ​​núcleo-carcasa.

Los experimentos catalíticos revelaron que la reactividad y durabilidad de las estructuras Janus de oro-titania tienen ventajas únicas sobre otras nanopartículas. Debido a la naturaleza expuesta de sus superficies doradas, los primeros catalizan la reducción de la molécula 4-nitrofenol a velocidades mucho más rápidas que las nanopartículas excéntricas y concéntricas cuyas superficies de oro están más confinadas. Es más, el recubrimiento protector de TiO2 de los catalizadores híbridos permitió que se reutilizaran repetidamente con poca pérdida de actividad. A diferencia de, nanopartículas de oro desnudo aglomeradas en grupos no reactivos después de solo cinco ciclos de uso.

Investigaciones teóricas posteriores del equipo revelaron que la formación de nanoestructuras de Janus como la especie energéticamente estable se promueve mediante la adición de volúmenes más pequeños del precursor de titania, un hallazgo que puede ayudar a los investigadores a generar otros híbridos de óxido de metal para aplicaciones catalíticas en el futuro cercano. futuro.