Il y a à peine vingt-cinq ans, les chimistes considéraient l'or comme l'un des éléments métalliques les plus inertes, jusqu'à la découverte que les dispersions d'or à l'échelle nanométrique avaient une activité catalytique élevée, forçant à repenser les anciens principes. Les chercheurs ont rapidement découvert que les nanoparticules d'or pouvaient favoriser de nombreuses réactions d'importance industrielle, comme l'élimination du monoxyde de carbone nocif des flux d'émission. Alors que les avantages de l'or nanométrique sont bien attestés, préparer le matériau sous une forme durable et réutilisable reste un défi important qui limite son adoption par les fabricants.

Les travaux des équipes de Ming-Yong Han de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux et de Yong-Wei Zhang de l'Institute of High Performance Computing à A*STAR ont révélé que la stabilité des catalyseurs à nanoparticules d'or peut être améliorée en les enrobant de couches protectrices d'oxyde de titane (TiO2). Conçu par le co-auteur Zhi Wei Seh, un boursier scientifique national A * STAR, cette nouvelle technique produit des nanostructures dites de Janus qui conservent la quasi-totalité de l'activité catalytique des nanoparticules d'or nues sans souffrir d'agrégation irréversible qui diminue la réactivité de ces dernières.

Nommé d'après le dieu romain à double face des débuts et des transitions, Les nanostructures Janus relient deux ou plusieurs composants de taille égale par de très petites jonctions - un arrangement qui maximise la surface active de chaque substance. Les effets bénéfiques de l'association de nanoparticules d'or et d'oxyde de titane sont bien connus, mais jusqu'aux travaux des chercheurs A*STAR, une compréhension détaillée du mécanisme par lequel ces deux espèces fusionnent s'était révélée insaisissable.

Han et ses collègues ont utilisé un composé chélatant non conventionnel appelé diisopropoxyde de titane bis(acétylacétonate) pour nucléer la croissance de TiO2 sur l'or à des vitesses extrêmement lentes. En contrôlant soigneusement l'ajout de ce réactif aux nanoparticules d'or de forme bâtonnet et sphérique, les chercheurs ont observé trois nanostructures distinctes (voir image) :une géométrie Janus; une géométrie « excentrique » partiellement encapsulée ; et un arrangement cœur-enveloppe « concentrique ».

Des expériences catalytiques ont révélé que la réactivité et la durabilité des structures Janus or-oxyde de titane présentent des avantages uniques par rapport aux autres nanoparticules. En raison de la nature exposée de leurs surfaces dorées, les premiers catalysent la réduction de la molécule de 4-nitrophénol à des vitesses beaucoup plus rapides que les nanoparticules excentriques et concentriques dont les surfaces d'or sont plus confinées. Par ailleurs, le revêtement protecteur TiO2 des catalyseurs hybrides leur a permis d'être réutilisés à plusieurs reprises avec peu de perte d'activité. En revanche, des nanoparticules d'or nues agglomérées en amas non réactifs après seulement cinq cycles d'utilisation.

D'autres investigations théoriques menées par l'équipe ont révélé que la formation de nanostructures de Janus en tant qu'espèce énergétiquement stable est favorisée par l'ajout de plus petits volumes de précurseur d'oxyde de titane - une découverte qui pourrait aider les chercheurs à générer d'autres hybrides métal-oxyde pour des applications catalytiques dans le proche futur.