Oftmals goldene Buckyballs

Oct 14, 2023

Chemiker der Rice University haben herausgefunden, dass winzige Gold-„Samen“-Partikel, eine Schlüsselzutat in einem der häufigsten Nanopartikel-Rezepte, ein und dasselbe sind wie Gold-Buckyballs, kugelförmige Moleküle mit 32 Atomen, die Cousins ​​der Kohlenstoff-Buckyballs sind, die in Rice entdeckt wurden 1985.

Kohlenstoff-Buckyballs sind hohle 60-Atom-Moleküle, die vom verstorbenen Rice-Chemiker Richard Smalley mitentdeckt und benannt wurden. Er nannte sie „Buckminsterfullerene“, weil ihre atomare Struktur ihn an die geodätischen Kuppeln des Architekten Buckminster Fuller erinnerte und die „Fulleren“-Familie inzwischen Dutzende hohler Moleküle umfasst.

Im Jahr 2019 entdeckten die Rice-Chemiker Matthew Jones und Liang Qiao, dass goldene Fullerene die Gold-„Samen“-Partikel sind, die Chemiker seit langem zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln verwenden. Der Fund erfolgte nur wenige Monate nach der ersten berichteten Synthese von Gold-Buckyballs und zeigte, dass Chemiker die goldenen Moleküle unwissentlich seit Jahrzehnten verwendet hatten.

„Wovon wir sprechen, ist wohl die allgegenwärtigste Methode zur Herstellung von Nanomaterialien“, sagte Jones. „Und der Grund dafür ist, dass es so unglaublich einfach ist. Hierfür benötigen Sie keine spezielle Ausrüstung. Oberstufenschüler können das schaffen.“

Jones, Qiao und Co-Autoren von Rice, der Johns Hopkins University, der George Mason University und der Princeton University haben jahrelang Beweise zusammengestellt, um die Entdeckung zu verifizieren, und haben ihre Ergebnisse kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.

Jones, Assistenzprofessor für Chemie, Materialwissenschaften und Nanotechnik an der Rice University, sagte, das Wissen, dass Goldnanopartikel aus Molekülen synthetisiert werden, könnte Chemikern helfen, die Mechanismen dieser Synthesen aufzudecken.

„Das ist das Gesamtbild dafür, warum diese Arbeit wichtig ist“, sagte er.

Jones sagte, Forscher hätten Anfang der 2000er Jahre herausgefunden, wie man Goldkeimpartikel in chemischen Synthesen verwenden könne, um viele Formen von Goldnanopartikeln herzustellen, darunter Stäbe, Würfel und Pyramiden.

„Es ist wirklich reizvoll, die Partikelform steuern zu können, weil dadurch viele Eigenschaften verändert werden“, sagte Jones. „Das ist die Synthese, die fast jeder nutzt. Es wird seit 20 Jahren verwendet und die ganze Zeit über wurden diese Samen einfach als „Partikel“ beschrieben.“

Jones und Qiao, ein ehemaliger Postdoktorand in Jones‘ Labor, waren 2019 nicht auf der Suche nach Gold-32, aber sie bemerkten es in massenspektrometrischen Messungen. Die Entdeckung der Kohlenstoff-60-Buckyballs erfolgte auf ähnliche Weise. Und die Zufälle hören hier nicht auf. Jones ist Norman und Gene Hackerman Assistenzprofessor für Chemie an der Rice University. Smalley, der sich 1996 den Nobelpreis für Chemie mit Robert Curl von Rice und Harold Kroto aus Großbritannien teilte, war vor seinem Tod im Jahr 2005 viele Jahre lang Hackerman-Lehrstuhl für Chemie bei Rice.

Die Bestätigung, dass es sich bei den weit verbreiteten Samen um Gold-32-Moleküle und nicht um Nanopartikel handelte, erforderte jahrelange Bemühungen, einschließlich hochmoderner Bildgebung durch die Forschungsgruppe von Yimo Han bei Rice und detaillierter theoretischer Analysen durch die Gruppen von Rigoberto Hernandez bei Johns Hopkins und Andre Clayborne bei George Mason.

Jones sagte, die Unterscheidung zwischen Nanopartikeln und Molekülen sei wichtig und ein Schlüssel zum Verständnis der möglichen Auswirkungen der Studie.

„Nanopartikel sind in der Regel in Größe und Form ähnlich, aber sie sind nicht identisch“, sagte Jones. „Wenn ich eine Charge kugelförmiger 7-Nanometer-Goldnanopartikel herstelle, haben einige davon genau 10.000 Atome, andere hingegen vielleicht 10.023 oder 9.092.

„Moleküle hingegen sind perfekt“, sagte er. „Ich kann eine Formel für ein Molekül aufschreiben. Ich kann ein Molekül zeichnen. Und wenn ich eine Lösung von Molekülen anfertige, sind sie alle in der Anzahl, Art und Konnektivität ihrer Atome genau gleich.“

Jones sagte, Nanowissenschaftler hätten gelernt, wie man viele nützliche Nanopartikel synthetisiert, aber Fortschritte seien oft durch Versuch und Irrtum entstanden, weil es „praktisch kein mechanistisches Verständnis“ ihrer Synthese gebe.

„Das Problem hier ist ziemlich einfach“, sagte er. „Es ist, als würde man sagen: ‚Ich möchte, dass du mir einen Kuchen backst, und ich gebe dir ein paar weiße Pulver, aber ich werde dir nicht sagen, was das ist.‘ Selbst wenn Sie ein Rezept haben und die Ausgangsmaterialien nicht kennen, ist es ein Albtraum, herauszufinden, welche Zutaten was bewirken.

„Ich möchte, dass die Nanowissenschaften wie die organische Chemie sind, in der man im Wesentlichen alles herstellen kann, was man will, mit allen gewünschten Eigenschaften“, sagte Jones.

Er sagte, organische Chemiker hätten eine hervorragende Kontrolle über die Materie, „weil Chemiker vor ihnen unglaublich detaillierte mechanistische Arbeiten durchgeführt haben, um alle genauen Mechanismen zu verstehen, auf denen diese Reaktionen ablaufen.“ Davon sind wir in der Nanowissenschaft sehr, sehr weit entfernt, aber der einzige Weg, dorthin zu gelangen, besteht darin, solche Arbeiten durchzuführen und mechanistisch zu verstehen, womit wir beginnen und wie Dinge entstehen. Das ist das ultimative Ziel.“

Die Forschung wurde von der Welch Foundation (C-1954, C-2065), der Packard Foundation (2018-68049), der National Science Foundation (2145500, 1842494, 2001611, 090079, 1920103, 1625039, 2018631, 2011750) und Rice unterstützt Universität.

„Atompräzise Nanocluster fördern vorwiegend die Synthese von Goldnanopartikeln“ | Naturkommunikation | DOI: 10.1038/s41467-023-40016-3

Autoren: Liang Qiao, Nia Pollard, Ravi three D. Senanayake, Zhi Yang, Minjung Kim, Arzeena S. Ali, Minh Tam Hoang, Nan Yao, Yimo Han, Rigoberto Hernandez, Andrew Z. Clayborne und Matthew R. Jones

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40016-3

https://youtube.com/shorts/ByDN9AAMUwY BESCHREIBUNG: Molekulardynamische Simulationen ergaben, dass die strukturelle Stabilität von „Gold-Buckyballs“, Fullerenmolekülen, die jeweils 32 Goldatome (gelb) enthalten, durch einen umgebenden Halo aus organischen Molekülen, sogenannten Liganden, erhöht wird (grün, blau und grau). (Video mit freundlicher Genehmigung des Jones Lab/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/0807_GOLD-3p-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Gold-Buckyball-Fullerene enthalten jeweils einen hohlen inneren Kern aus 12 Goldatomen (links) und ein 20-Atom Goldaußenkern (Mitte). Angehängte organische Liganden (rechts) stabilisieren die Struktur. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Jones Lab/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/0807_GOLD-F1-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Chemiker im Labor von Matthew Jones an der Rice University entdeckten, dass Gold-Fullerene (Mitte) ein und dasselbe sind als „Samen“-Partikel (oben rechts), mit denen Wissenschaftler seit langem Goldnanopartikel in unzähligen Formen und Größen synthetisieren (links, rechts und unten). Jeder Fullerenkeim enthält 32 Goldatome, die in einem ikosaedrischen Innenkern mit 12 Atomen (oben links) und einem dodekaedrischen Außenkern mit 20 Atomen (ganz links oben) angeordnet sind. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Jones Lab/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/0807_GOLD-mj21fit-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Matthew Jones ist Assistenzprofessor für Chemie bei Norman und Gene Hackerman und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik an der Rice University. (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/0807_GOLD-Au32-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Chemiker der Rice University entdeckten, dass 32-atomige Gold-Fulleren-Moleküle ein und dasselbe sind wie „Samen“-Partikel Wissenschaftler nutzen seit langem die Synthese unzähliger Formen und Größen von Goldnanopartikeln. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Jones Lab/Rice University)

Tetraeder versammeln sich! Dreiseitige Pyramiden bilden 2D-Strukturen – 25. Juli 2022https://news.rice.edu/news/2022/tetrahedrons-assemble- three-sided-pyramids-form-2d-structures

Matthew Jones gewinnt den NSF CAREER Award – 3. Februar 2022https://news.rice.edu/news/2022/matthew-jones-wins-nsf-career-award

Dieses Pyramidensystem könnte hilfreich sein – 22. Oktober 2021https://news.rice.edu/news/2021/pyramid-scheme-could-be-helpful

Jones-Forschungsgruppe: joneslab.rice.edu

Fachbereich Chemie: chemistry.rice.edu

Abteilung für Materialwissenschaft und Nanotechnik: msne.rice.edu

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.240 Studenten im Grundstudium und 3.972 Studenten im Aufbaustudium beträgt das Verhältnis von Studenten zu Fakultät an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und auf Platz 4 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.