Nuestro mundo está lleno de patrones desde el giro de una molécula de ADN hasta la espiral de la Vía Láctea. Una nueva investigación de los químicos de Carnegie Mellon ha revelado que pequeños, Las nanopartículas de oro sintético exhiben algunos de los patrones más intrincados de la naturaleza.

Desvelar el caleidoscopio de estos patrones fue una tarea hercúlea, y marca la primera vez que se cristaliza una nanopartícula de este tamaño y se mapea su estructura átomo por átomo. Los investigadores informan de su trabajo en la edición del 20 de marzo de Avances de la ciencia .

"Si piensa en general en diferentes áreas de investigación o incluso en nuestra vida cotidiana, este tipo de patrones, estos patrones jerárquicos, son universales, "dijo Rongchao Jin, profesor asociado de química. "Nuestro universo es realmente hermoso y cuando ves este tipo de información en algo tan pequeño como una nanopartícula de 133 átomos y tan grande como la Vía Láctea, es realmente increíble."

Nanopartículas de oro, que puede variar en tamaño de 1 a 100 nanómetros, son una tecnología prometedora que tiene aplicaciones en una amplia gama de campos, incluida la catálisis, electrónica, ciencia de materiales y cuidado de la salud. Pero, para utilizar nanopartículas de oro en aplicaciones prácticas, Los científicos primero deben comprender la estructura de las partículas diminutas.

"La estructura determina esencialmente las propiedades de la partícula, así que sin conocer la estructura, no podrá comprender las propiedades y no podrá funcionalizarlas para aplicaciones específicas, "dijo Jin, un experto en la creación de nanopartículas de oro atómicamente precisas.

Con esta última investigación, Jin y sus colegas, incluido el estudiante de posgrado Chenjie Zeng, han resuelto la estructura de una nanopartícula, Au133, compuesto por 133 átomos de oro y 52 moléculas protectoras de la superficie, la estructura de nanopartículas más grande jamás resuelta con cristalografía de rayos X. Si bien la microscopía puede revelar el tamaño, la forma y la red atómica de las nanopartículas, no puede discernir la estructura de la superficie. La cristalografía de rayos X puede, trazando la posición de cada átomo en la superficie de las nanopartículas y mostrando cómo se unen con el núcleo de oro. Conocer la estructura de la superficie es clave para utilizar las nanopartículas para aplicaciones prácticas, como la catálisis, y por descubrir la ciencia fundamental, como la base de la estabilidad de la partícula.

La estructura cristalina de la nanopartícula de Au133 reveló muchos secretos.

"Con cristalografía de rayos X, pudimos ver patrones muy hermosos, que fue un descubrimiento muy emocionante. Estos patrones solo aparecen cuando el tamaño de las nanopartículas se vuelve lo suficientemente grande, "Dijo Jin.

Durante la producción, las partículas de Au133 se autoensamblan en tres capas dentro de cada partícula:el núcleo de oro, las moléculas de superficie que lo protegen y la interfaz entre los dos. En la estructura cristalina, Zeng descubrió que el núcleo de oro tiene la forma de un icosaedro. En la interfaz entre el núcleo y las moléculas protectoras de la superficie hay una capa de átomos de azufre que se unen a los átomos de oro. Las combinaciones de azufre-oro-azufre se apilan en estructuras helicoidales en forma de escalera. Finalmente, unida a las moléculas de azufre hay una capa exterior de moléculas protectoras de la superficie cuyas colas de carbono se autoensamblan en cuatro remolinos.

"Las características helicoidales nos recuerdan a una doble hélice de ADN y la disposición giratoria de las colas de carbono recuerda la forma en que está organizada nuestra galaxia. Es realmente sorprendente, "Dijo Jin.

Estos patrones particulares son responsables de la alta estabilidad de Au133 en comparación con otros tamaños de nanopartículas de oro. Los investigadores también probaron las propiedades ópticas y electrónicas de Au133 y encontraron que estas nanopartículas de oro no son metálicas. Normalmente, el oro es uno de los mejores conductores de corriente eléctrica, pero el tamaño de Au133 es tan pequeño que la partícula aún no se ha vuelto metálica. El grupo de Jin está probando actualmente las nanopartículas para su uso como catalizadores, Sustancias que pueden aumentar la velocidad de una reacción química.