Les chercheurs d'A*STAR ont mis au point un moyen de déstabiliser les nanoclusters d'or afin qu'ils forment de minuscules noyaux atomiques qui se développent ensuite ensemble en parfaitement proportionnés, Cristaux dodécaèdres à 12 faces. Ces polyèdres uniques ont des surfaces riches en énergie qui peuvent augmenter l'efficacité catalytique de réactions chimiques importantes et servir de sites d'adsorption potentiels pour les dispositifs de détection ciblés.

Typiquement, les nanoclusters d'or sont préparés en réduisant chimiquement un précurseur or-soufre en présence d'un agent stabilisant organique. Cette procédure crée un noyau symétrique d'atomes d'or protégé par une fine couche de groupes de surface appelés thiolates. Les chercheurs ont développé de nombreuses techniques pour faire varier la taille des nanoclusters afin d'ajuster leurs propriétés chimiques et physiques. Mais déstabiliser les liaisons or-thiolate pour permettre d'autres transformations en cristaux polyédriques s'est avéré plus difficile.

Pour s'attaquer à ce problème, une équipe interdisciplinaire dirigée par Yong-Wei Zhang de l'Institute of High Performance Computing et Ming-Yong Han de l'Institute of Materials Research and Engineering à A*STAR à Singapour a étudié des stratégies pour déstabiliser les amas d'or en oxydant les thiolates protecteurs de surface. Tout en promettant, cette approche a ses risques :les tentatives précédentes utilisant des agents de déstabilisation de l'ozone ont produit une agrégation incontrôlée d'atomes d'or en précipités macroscopiques.

Les chercheurs ont examiné si le passage à un agent de déstabilisation du peroxyde d'hydrogène plus doux donnerait des résultats plus favorables. Ils ont d'abord synthétisé une solution d'amas d'or de 25 atomes stabilisés par des couches externes d'albumine de sérum bovin (BSA). Lorsque du peroxyde d'hydrogène a été ajouté au mélange, les instruments de spectrométrie de masse de l'équipe ont montré que les liaisons covalentes or-soufre se rompaient lentement.

Cette déstabilisation à base de peroxyde a initialement produit des amas d'or plus petits de 11 atomes. Mais après s'être assis pendant près d'une semaine à température ambiante, ces amas se sont transformés en formes de dodécaèdres remarquables (voir image).

La microscopie électronique à balayage à haute résolution a révélé que chaque facette du dodécaèdre avait des orientations cristallographiques identiques - une distribution rare d'atomes d'or connue sous le nom de facette [110]. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité initiés par le co-auteur Guijian Guan ont montré que ces structures inhabituelles apparaissent lorsque les acides aminés libérés de la BSA au cours de la réaction de déstabilisation se fixent aux nanoparticules et favorisent la croissance dans toutes les directions des cristaux, à l'exception de l'orientation [110].

Guan explique que parce que les facettes [110] ont les énergies de surface les plus élevées parmi les facettes d'or standard, ils présentent de fortes forces d'attraction pour les molécules entrantes, un phénomène qui améliore la capacité catalytique en raison d'une affinité de liaison plus forte avec les molécules cibles. "Par exemple, nous avons observé une multiplication par quatre de la capacité catalytique de notre dodécaèdre par rapport aux nanoparticules d'or lors de la réduction du 4-nitrophénol en 4-aminophénol, " note-t-il.