Bien que les scientifiques soient capables depuis des décennies de synthétiser des nanoparticules en laboratoire, le processus est principalement d'essais et d'erreurs, et comment la formation a réellement lieu est obscure. Cependant, une étude récemment publiée dans Communication Nature par des ingénieurs chimistes de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh explique comment se forment les nanoparticules métalliques.

"Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1038/ncomms15988) a été co-écrit par Giannis Mpourmpakis, professeur assistant de génie chimique et pétrolier, et le doctorant Michael G. Taylor. La recherche, complété dans le laboratoire de nano et d'énergie assistés par ordinateur de Mpourmpakis (C.A.N.E.LA.), est financé par un prix CAREER de la National Science Foundation et relie des recherches antérieures axées sur la conception de nanoparticules pour des applications catalytiques.

"Même s'il existe des recherches approfondies sur la synthèse des nanoparticules métalliques, il n'y a vraiment pas d'explication rationnelle à la formation d'une nanoparticule, " a déclaré le Dr Mpourmpakis. " Nous voulions étudier non seulement les applications catalytiques des nanoparticules, mais pour faire un pas de plus et comprendre la stabilité et la formation des nanoparticules. Cette nouvelle théorie de la stabilité thermodynamique explique pourquoi les nanoclusters métalliques protégés par des ligands sont stabilisés à des tailles spécifiques. »

Un ligand est une molécule qui se lie à des atomes métalliques pour former des noyaux métalliques qui sont stabilisés par une enveloppe de ligands, et donc comprendre comment ils contribuent à la stabilisation des nanoparticules est essentiel à tout processus d'application des nanoparticules. Le Dr Mpourmpakis a expliqué que les théories précédentes décrivant pourquoi les nanoclusters stabilisés à des tailles spécifiques étaient basées sur des règles empiriques de comptage d'électrons - le nombre d'électrons qui forment une structure électronique à coque fermée, mais montrent des limites car il y a eu des nanoclusters métalliques synthétisés expérimentalement qui ne suivent pas nécessairement ces règles.

"La nouveauté de notre contribution est que nous avons révélé que pour les nanoclusters synthétisables expérimentalement, il doit y avoir un équilibre fin entre la force de liaison moyenne du noyau métallique du nanocluster, et la force de liaison des ligands au noyau métallique, " a-t-il dit. " Nous pourrions alors relier cela aux caractéristiques structurelles et compositionnelles des nanoclusters, comme la taille, nombre d'atomes métalliques, et le nombre de ligands.

"Maintenant que nous avons une compréhension plus complète de cette stabilité, nous pouvons mieux adapter les morphologies et les propriétés des nanoparticules, aux applications allant du biomarquage de cellules individuelles et de l'administration ciblée de médicaments aux réactions catalytiques, créant ainsi des processus de production plus efficaces et durables."