Químicamente igual, el grafito y los diamantes son tan distintos físicamente como dos minerales pueden serlo, uno opaco y suave, el otro traslúcido y duro. Lo que los hace únicos es su disposición diferente de átomos de carbono.

Polimorfos o materiales con la misma composición pero con diferentes estructuras, son comunes en materiales a granel, y ahora un nuevo estudio en Comunicaciones de la naturaleza confirma que existen en nanomateriales, también. Los investigadores describen dos estructuras únicas para el icónico nanocluster de oro Au144 (SR) 60, más conocido como Gold-144, incluyendo una versión nunca antes vista. Su descubrimiento ofrece a los ingenieros un nuevo material para explorar, junto con la posibilidad de encontrar otras nanopartículas polimórficas.

"Esto tomó cuatro años para desentrañar, "dijo Simon Billinge, profesor de física en Columbia Engineering y miembro del Data Science Institute. "No esperábamos que los cúmulos tuvieran más de una disposición atómica. Pero este descubrimiento nos da más puntos de control a la hora de diseñar cúmulos con propiedades nuevas y útiles".

El oro se ha utilizado en monedas y joyas durante miles de años por su durabilidad. pero encogerlo a un tamaño 10, 000 veces más pequeño que un cabello humano, y se vuelve tremendamente inestable e impredecible. A nanoescala, al oro le gusta dividir otras partículas y moléculas, haciéndolo un material útil para purificar el agua, obtener imágenes y matar tumores, y hacer que los paneles solares sean más eficientes, entre otras aplicaciones.

Aunque en el laboratorio se han fabricado una variedad de partículas y moléculas de nano oro, a muy pocos se les ha revelado su disposición atómica secreta. Pero recientemente, las nuevas tecnologías están enfocando estas estructuras minúsculas.

Bajo un enfoque, Se disparan haces de rayos X de alta energía contra una muestra de nanopartículas. Se utilizan análisis de datos avanzados para interpretar los datos de dispersión de rayos X e inferir la estructura de la muestra. que es clave para comprender cuán fuerte, reactivas o duraderas las partículas pueden ser.

Billinge y su laboratorio han sido pioneros en un método, el análisis de la función de distribución de pares atómicos (PDF), para interpretar estos datos de dispersión. Para probar el método PDF, Billinge pidió a los químicos de la Universidad Estatal de Colorado que hicieran pequeñas muestras de Gold-144, un cúmulo de nano-oro del tamaño de una molécula aislado por primera vez en 1995. Su estructura se había predicho teóricamente en 2009, y aunque nunca confirmado, Gold-144 ha encontrado numerosas aplicaciones, incluso en la obtención de imágenes de tejidos.

Con la esperanza de que la prueba confirmara la estructura de Gold-144, analizaron los clústeres en la fuente de radiación sincrotrón europea en Grenoble, y utilizó el método PDF para inferir su estructura. Para su sorpresa, encontraron un núcleo angular, y no el núcleo icosaédrico en forma de esfera predicho. Cuando hicieron una nueva muestra y volvieron a intentar el experimento, esta vez usando sincrotrones en los laboratorios nacionales de Brookhaven y Argonne, la estructura volvió a ser esférica.

"No entendíamos lo que estaba pasando, pero cavando más profundo, nos dimos cuenta de que teníamos un polimorfo, "dijo la coautora del estudio, Kirsten Jensen, anteriormente investigador postdoctoral en Columbia, ahora es profesor de química en la Universidad de Copenhague.

Otros experimentos confirmaron que el clúster tenía dos versiones, a veces se encuentran juntos, cada uno con una estructura única que indica que se comportan de manera diferente. Los investigadores aún no están seguros de si Gold-144 puede cambiar de una versión a otra o, qué exactamente, diferencia las dos formas.

Para hacer su descubrimiento, los investigadores resolvieron lo que los físicos llaman el problema inverso de la nanoestructura. ¿Cómo se puede inferir la estructura de una pequeña nanopartícula en una muestra a partir de una señal de rayos X que se ha promediado sobre millones de partículas? cada uno con diferentes orientaciones?

"La señal es ruidosa y muy degradada, "dijo Billinge." Es el equivalente a tratar de reconocer si el pájaro en el árbol es un petirrojo o un cardenal, pero la imagen de sus binoculares es demasiado borrosa y distorsionada para decir ".

"Nuestros resultados demuestran el poder del análisis PDF para revelar la estructura de partículas muy pequeñas, ", agregó el coautor del estudio, Christopher Ackerson, profesor de química en el estado de Colorado. "He estado intentando, de vez en cuando, durante más de 10 años para obtener la estructura de rayos X de cristal único de Gold-144. La presencia de polimorfos ayuda a explicar por qué esta molécula ha sido tan resistente a los métodos tradicionales ".

El enfoque PDF es uno de varios métodos rivales que se están desarrollando para enfocar la estructura de nanopartículas. Ahora que ha demostrado su valía, podría ayudar a acelerar el trabajo de descripción de otras nanoestructuras.

El objetivo final es diseñar nanopartículas por sus propiedades deseadas, en lugar de a través de prueba y error, entendiendo cómo se relacionan la forma y la función. Las bases de datos de estructuras conocidas y predichas podrían hacer posible diseñar nuevos materiales con unos pocos clics del mouse.

El estudio es un primer paso.

"Hemos tenido un modelo de estructura para esta icónica molécula de oro durante años y luego aparece este estudio y dice que la estructura es básicamente correcta, pero tiene un doppelgänger, "dijo Robert Whetten, profesor de física química en la Universidad de Texas, San Antonio, que lideró el equipo que aisló por primera vez a Gold-144. "Parecía ridículo, tener dos estructuras distintas que subyacen a su ubicuidad, pero este es un artículo hermoso que convencerá a mucha gente ".