Las partículas de oro a escala nanométrica se están investigando intensamente en la actualidad para posibles aplicaciones como catalizadores, sensores, bioetiquetas, dispositivos de administración de fármacos, agentes de contraste biológicos y como componentes en fotónica y electrónica molecular. Las partículas se preparan en una solución a partir de sales de oro y sus núcleos de oro reactivos se pueden estabilizar con varios ligandos orgánicos. Se pueden sintetizar partículas particularmente estables mediante el uso de ligandos de organotiol que tienen una fuerte interacción química con el oro. produciendo composiciones precisas en el rango de tamaño de 1 a 3 nanómetros. La modificación de la capa protectora molecular es un paso clave en casi todas las aplicaciones. Ha faltado una comprensión atomística estructural detallada de los procesos de la reacción de intercambio.

Ahora, los profesores Chris Ackerson de la Universidad Estatal de Colorado en Ft. Collins, ESTADOS UNIDOS, y Hannu Häkkinen en el Centro de Nanociencia de la Universidad de Jyväskylä, Finlandia, informan del primer estudio estructural sobre los procesos atomísticos de una reacción de intercambio de ligando de una nanopartícula de oro bien definida que tiene 102 átomos de oro y 44 sitios de ligando en la capa molecular. El estudio fue publicado en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 21 de julio de 2012 [1]. El trabajo del Prof. Häkkinen está financiado por la Academia de Finlandia y el prof. El trabajo de Ackerson está financiado por la Universidad Estatal de Colorado y la Federación Estadounidense para la Investigación del Envejecimiento.

La partícula estudiada tiene una fórmula química de Au102 (p-MBA) 44 y se preparó utilizando un tiol soluble en agua (ácido para-mercapto benzoico, p-MBA) como molécula estabilizadora. La estructura cristalina de rayos X de esta partícula se informó por primera vez como artículo de portada de Science en 2007 por el grupo de Roger D. Kornberg de la Universidad de Stanford [2]. Häkkinen dirigió un equipo internacional de investigadores que publicó un análisis teórico de esta y otras nanopartículas de oro estabilizadas con tiol en 2008 en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias [3].

En el nuevo estudio, El grupo de Ackerson logró hacer cristales heterogéneos de muestras de partículas de Au102 que habían sufrido una reacción de intercambio de ligando donde los tioles p-MBA en la capa molecular se habían intercambiado parcialmente a un tiol similar que contenía un átomo de bromo. el llamado para - bromo benceno tiol (p-BBT), bajo una reacción rápida de 5 minutos. El análisis de los cristales heterogéneos mostró qué sitios de ligandos en la capa son los más propensos a cambiar durante el corto tiempo de reacción. es decir., desde qué sitios comienza el proceso de intercambio. Asombrosamente, sólo 4 sitios de las 44 posibilidades mostraron ocupación por el ligando intercambiado (ver Figura). El análisis teórico realizado por el grupo de Häkkinen dio una idea de los detalles atomísticos de los posibles mecanismos de reacción. La evidencia del experimento y la teoría indica que la nanopartícula de Au102 (p-MBA) 44 tiene una superposición de tiol donde casi todos los sitios de ligando de tiol tienen su propia velocidad de reacción debido a una estructura muy heterogénea de la superposición. "La nanopartícula Au102 (p-MBA) 44 tiene una estructura que recuerda a una proteína, con un núcleo de oro inorgánico rígido análogo al esqueleto de carbono alfa de un núcleo de proteína y grupos funcionales químicamente modificables en la capa molecular de baja simetría ", dice el prof. Ackerson. "Cuando se comprenden mejor las reacciones de intercambio de ligandos, Esperamos controlar completamente la funcionalización de la superficie del Au102 y nanopartículas de oro similares solubles en agua. Las implicaciones en biología para una superficie sintética totalmente controlable del tamaño de una proteína son profundas ", dice el prof. Häkkinen.