Químicos de la Universidad Rice han descubierto que diminutas partículas "semillas" de oro, un ingrediente clave en una de las recetas de nanopartículas más comunes, son lo mismo que las buckybolas de oro, moléculas esféricas de 32 átomos que son primas de las buckybolas de carbono descubiertas en Rice en 1985.
Las buckybolas de carbono son moléculas huecas de 60 átomos que fueron descubiertas conjuntamente y nombradas por el fallecido químico de Rice, Richard Smalley. Los denominó "buckminsterfullerenos" porque su estructura atómica le recordaba las cúpulas geodésicas del arquitecto Buckminster Fuller, y la familia de los "fullerenos" ha crecido hasta incluir docenas de moléculas huecas.
En 2019, los químicos de Rice, Matthew Jones y Liang Qiao, descubrieron que los fullerenos dorados son las partículas "semillas" de oro que los químicos han utilizado durante mucho tiempo para fabricar nanopartículas de oro. El hallazgo se produjo apenas unos meses después de la primera síntesis reportada de buckybolas de oro, y reveló que los químicos habían estado usando, sin saberlo, las moléculas de oro durante décadas.
"De lo que estamos hablando es, posiblemente, del método más ubicuo para generar cualquier nanomaterial", dijo Jones. "Y la razón es que es increíblemente simple. No necesitas equipo especializado para esto. Los estudiantes de secundaria pueden hacerlo".
Jones, Qiao y coautores de Rice, la Universidad Johns Hopkins, la Universidad George Mason y la Universidad de Princeton pasaron años recopilando evidencia para verificar el descubrimiento y recientemente publicaron sus resultados en Nature Communications. .
Jones, profesor asistente de química, ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice, dijo que saber que las nanopartículas de oro se sintetizan a partir de moléculas podría ayudar a los químicos a descubrir los mecanismos de esas síntesis.
"Ese es el panorama general de por qué este trabajo es importante", afirmó.
Jones dijo que los investigadores descubrieron a principios de la década de 2000 cómo utilizar partículas de semillas de oro en síntesis químicas que producían muchas formas de nanopartículas de oro, incluidas varillas, cubos y pirámides.
"Es realmente atractivo poder controlar la forma de las partículas, porque eso cambia muchas de las propiedades", dijo Jones, profesor asistente de química, ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice. "Esta es la síntesis que casi todo el mundo usa. Se ha utilizado durante 20 años, y durante todo ese período, estas semillas fueron descritas simplemente como 'partículas'".
Jones y Qiao, un ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Jones, no buscaban oro-32 en 2019, pero lo notaron en lecturas de espectrometría de masas. El descubrimiento de las buckybolas de carbono 60 ocurrió de manera similar. Y las coincidencias no terminan ahí. Jones es profesor asistente de química Norman y Gene Hackerman en Rice. Smalley, que compartió el Premio Nobel de Química de 1996 con Robert Curl de Rice y Harold Kroto del Reino Unido, fue catedrático Hackerman de química en Rice durante muchos años antes de su muerte en 2005.
Confirmar que las semillas ampliamente utilizadas eran moléculas de oro 32 en lugar de nanopartículas requirió años de esfuerzo, incluidas imágenes de última generación realizadas por el grupo de investigación de Yimo Han en Rice y análisis teóricos detallados realizados por los grupos de Rigoberto Hernández en Johns Hopkins. y Andre Clayborne en George Mason.
Jones dijo que la distinción entre nanopartículas y moléculas es importante y una clave para comprender el impacto potencial del estudio.
"Las nanopartículas suelen ser similares en tamaño y forma, pero no son idénticas", dijo Jones. "Si hago un lote de nanopartículas de oro esféricas de 7 nanómetros, algunas de ellas tendrán exactamente 10.000 átomos, pero otras podrían tener 10.023 o 9.092.
"Las moléculas, por el contrario, son perfectas", afirmó. "Puedo escribir una fórmula para una molécula. Puedo dibujar una molécula. Y si hago una solución de moléculas, todas son exactamente iguales en el número, tipo y conectividad de sus átomos".
Jones dijo que los nanocientíficos han aprendido cómo sintetizar muchas nanopartículas útiles, pero el progreso a menudo se ha producido mediante prueba y error porque "prácticamente no existe una comprensión mecanicista" de su síntesis.
"El problema aquí es bastante sencillo", afirmó. "Es como decir:'Quiero que me hagas un pastel y te daré un montón de polvos blancos, pero no te voy a decir qué son'. Incluso si tienes una receta, si no sabes cuáles son los materiales de partida, es una pesadilla descubrir qué ingredientes hacen qué".
"Quiero que la nanociencia sea como la química orgánica, donde puedas hacer esencialmente lo que quieras, con las propiedades que quieras", dijo Jones.
Dijo que los químicos orgánicos tienen un control exquisito sobre la materia "porque los químicos anteriores a ellos hicieron un trabajo mecanicista increíblemente detallado para comprender todas las formas precisas en que operan esas reacciones. Estamos muy, muy lejos de eso en la nanociencia, pero la única manera que llegar allí es haciendo un trabajo como este y entendiendo, mecánicamente, con qué estamos empezando y cómo se forman las cosas".
Más información: Liang Qiao et al, Nanoclusters atómicamente precisos predominantemente síntesis de nanopartículas de oro semilla, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40016-3
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
