La structure cristallographique aux rayons X de la nanoparticule d'or est montrée. Atomes d'or =magenta; atomes de soufre =jaune; atomes de carbone =gris; atomes d'hydrogène =blanc. Crédit :Université Carnegie Mellon
Notre monde est plein de modèles, de la torsion d'une molécule d'ADN à la spirale de la Voie lactée. De nouvelles recherches menées par des chimistes de Carnegie Mellon ont révélé que de minuscules, les nanoparticules d'or synthétiques présentent certains des motifs les plus complexes de la nature.
Dévoiler le kaléidoscope de ces modèles était une tâche herculéenne, et c'est la première fois qu'une nanoparticule de cette taille est cristallisée et sa structure cartographiée atome par atome. Les chercheurs rapportent leurs travaux dans le numéro du 20 mars de Avancées scientifiques .
« Alors que vous pensez globalement à différents domaines de recherche ou même à notre vie quotidienne, ce genre de motifs, ces modèles hiérarchiques, sont universels, " dit Rongchao Jin, professeur agrégé de chimie. "Notre univers est vraiment magnifique et quand vous voyez ce genre d'informations dans quelque chose d'aussi petit qu'une nanoparticule de 133 atomes et aussi gros que la Voie lactée, C'est vraiment incroyable."
Nanoparticules d'or, qui peut varier en taille de 1 à 100 nanomètres, sont une technologie prometteuse qui a des applications dans un large éventail de domaines, y compris la catalyse, électronique, science des matériaux et soins de santé. Mais, afin d'utiliser des nanoparticules d'or dans des applications pratiques, les scientifiques doivent d'abord comprendre la structure des minuscules particules.
« La structure détermine essentiellement les propriétés de la particule, donc sans connaître la structure, vous ne seriez pas en mesure de comprendre les propriétés et vous ne seriez pas en mesure de les fonctionnaliser pour des applications spécifiques, " dit Jin, un expert dans la création de nanoparticules d'or atomiquement précises.
Avec cette dernière recherche, Jin et ses collègues, dont l'étudiant diplômé Chenjie Zeng, ont résolu la structure d'une nanoparticule, Au133, composé de 133 atomes d'or et de 52 molécules protectrices de surface, la plus grande structure de nanoparticules jamais résolue par cristallographie aux rayons X. Alors que la microscopie peut révéler la taille, forme et le réseau atomique des nanoparticules, il ne peut pas discerner la structure de surface. La cristallographie aux rayons X peut, en cartographiant la position de chaque atome à la surface des nanoparticules et en montrant comment ils se lient au noyau d'or. Connaître la structure de surface est essentiel pour utiliser les nanoparticules pour des applications pratiques, comme la catalyse, et pour découvrir la science fondamentale, comme la base de la stabilité de la particule.
Les molécules de surface qui protègent le noyau d'or de la nanoparticule comprennent des queues de carbone qui s'auto-assemblent en tourbillons quadruples rappelant le tourbillon de notre galaxie. Crédit :Université Carnegie Mellon
La structure cristalline de la nanoparticule Au133 a révélé de nombreux secrets.
"Avec la cristallographie aux rayons X, nous avons pu voir de très beaux motifs, ce qui a été une découverte très excitante. Ces motifs n'apparaissent que lorsque la taille des nanoparticules devient suffisamment grande, " dit Jin.
Pendant la fabrication, les particules Au133 s'auto-assemblent en trois couches au sein de chaque particule :le noyau d'or, les molécules de surface qui le protègent et l'interface entre les deux. Dans la structure cristalline, Zeng a découvert que le noyau d'or a la forme d'un icosaèdre. À l'interface entre le noyau et les molécules de protection de surface se trouve une couche d'atomes de soufre qui se lient aux atomes d'or. Les combinaisons soufre-or-soufre s'empilent en structures hélicoïdales en forme d'échelle. Finalement, attachée aux molécules de soufre est une couche externe de molécules protectrices de surface dont les queues de carbone s'auto-assemblent en tourbillons quadruples.
"Les caractéristiques hélicoïdales nous rappellent une double hélice d'ADN et l'arrangement rotatif des queues de carbone rappelle la façon dont notre galaxie est arrangée. C'est vraiment incroyable, " dit Jin.
Ces motifs particuliers sont responsables de la grande stabilité de l'Au133 par rapport aux autres tailles de nanoparticules d'or. Les chercheurs ont également testé les propriétés optiques et électroniques de l'Au133 et ont découvert que ces nanoparticules d'or ne sont pas métalliques. Normalement, l'or est l'un des meilleurs conducteurs de courant électrique, mais la taille de Au133 est si petite que la particule n'est pas encore devenue métallique. Le groupe de Jin teste actuellement les nanoparticules pour les utiliser comme catalyseurs, substances qui peuvent augmenter la vitesse d'une réaction chimique.
