Goldbuckyballs und häufig verwendete Nanopartikel-"Samen" sind ein und dasselbe
Rice-Labor entdeckt, dass weit verbreitete Nanopartikel Cousins der ursprünglichen Buckyballs sind
Chemiker der Rice University haben entdeckt, dass winzige Gold-"Keim"-Partikel, ein wichtiger Bestandteil eines der gängigsten Nanopartikel-Rezepte, ein und dasselbe sind wie Gold-Buckyballs, kugelförmige Moleküle mit 32 Atomen, die Cousins der 1985 in Rice entdeckten Kohlenstoff-Buckyballs sind.
Bei den Kohlenstoff-Buckyballs handelt es sich um hohle Moleküle mit 60 Atomen, die von dem 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 umfasst inzwischen Dutzende von Hohlmolekülen.
2019 entdeckten die Rice-Chemiker Matthew Jones und Liang Qiao, dass es sich bei den goldenen Fullerenen um die Gold-"Keim"-Partikel handelt, die Chemiker seit langem zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln verwenden. Die Entdeckung erfolgte nur wenige Monate nach der ersten gemeldeten Synthese von Goldbuckyballs und zeigte, dass Chemiker die goldenen Moleküle seit Jahrzehnten unwissentlich verwendet hatten.
"Wir sprechen hier von der wohl am weitesten verbreiteten Methode zur Herstellung von Nanomaterialien", so Jones. "Und der Grund dafür ist, dass sie so unglaublich einfach ist. Man braucht dafür keine spezielle Ausrüstung. Highschool-Schüler können das machen."
Jones, Qiao und Co-Autoren von der Rice University, der Johns Hopkins University, der George Mason University und der Princeton University haben jahrelang Beweise für ihre Entdeckung gesammelt und ihre Ergebnisse kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.
Jones, Assistenzprofessor für Chemie und Materialwissenschaften und Nanoengineering an der Rice University, sagte, dass das Wissen, dass Goldnanopartikel aus Molekülen synthetisiert werden, Chemikern helfen könnte, die Mechanismen dieser Synthesen aufzudecken.
"Das ist das große Bild, warum diese Arbeit so wichtig ist", sagte er.
Jones sagte, dass Forscher in den frühen 2000er Jahren entdeckten, wie man Gold-Keimpartikel in chemischen Synthesen verwenden kann, die viele Formen von Gold-Nanopartikeln hervorbringen, einschließlich Stäbchen, Würfel und Pyramiden.
"Es ist wirklich reizvoll, die Form der Partikel kontrollieren zu können, da sich dadurch viele Eigenschaften ändern", so Jones. "Dies ist die Synthese, die fast jeder verwendet. Sie wird seit 20 Jahren verwendet, und während dieser ganzen Zeit wurden diese Samen einfach als 'Partikel' bezeichnet."
Jones und Qiao, ein ehemaliger Postdoktorand in Jones' Labor, suchten 2019 nicht nach Gold-32, aber sie bemerkten es in Massenspektrometrie-Messungen. Die Entdeckung der Kohlenstoff-60-Buckyballs geschah auf ähnliche Weise. Und die Zufälle hören damit nicht auf. Jones ist der Norman und Gene Hackerman Assistenzprofessor für Chemie an der Rice University. Smalley, der sich 1996 den Nobelpreis für Chemie mit Robert Curl (Rice) und Harold Kroto (Vereinigtes Königreich) teilte, hatte bis zu seinem Tod im Jahr 2005 viele Jahre lang den Hackerman-Lehrstuhl für Chemie in Rice inne.
Die Bestätigung, dass es sich bei den weit verbreiteten Seeds um Gold-32-Moleküle und nicht um Nanopartikel handelte, erforderte jahrelange Anstrengungen, einschließlich modernster Bildgebung durch die Forschungsgruppe von Yimo Han in Rice und detaillierter theoretischer Analysen durch die Gruppen von Rigoberto Hernandez in Johns Hopkins und Andre Clayborne in 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 ähnlich in Größe und Form, aber sie sind nicht identisch", so Jones. "Wenn ich eine Charge kugelförmiger Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 7 Nanometern herstelle, haben einige von ihnen genau 10.000 Atome, während andere vielleicht 10.023 oder 9.092 haben.
"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 herstelle, sind sie alle genau gleich in der Anzahl, der Art und der Konnektivität ihrer Atome."
Jones sagte, dass Nanowissenschaftler gelernt haben, wie man viele nützliche Nanopartikel synthetisiert, aber der Fortschritt kam oft durch Versuch und Irrtum zustande, weil es praktisch kein mechanistisches Verständnis" für ihre Synthese gibt.
"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 einen Haufen weißer Pulver, aber ich werde dir nicht sagen, was sie sind. Selbst wenn man ein Rezept hat, ist es ein Alptraum herauszufinden, welche Zutaten was bewirken, wenn man nicht weiß, was die Ausgangsstoffe sind.
"Ich möchte, dass die Nanowissenschaft wie die organische Chemie ist, in der man im Grunde alles herstellen kann, was man will, mit allen Eigenschaften, die man will", sagte Jones.
Er sagte, dass organische Chemiker eine exquisite Kontrolle über die Materie haben, "weil Chemiker vor ihnen unglaublich detaillierte mechanistische Arbeit geleistet haben, um all die präzisen Wege zu verstehen, auf denen diese Reaktionen ablaufen. Davon sind wir in der Nanowissenschaft noch sehr, sehr weit entfernt, aber der einzige Weg, wie wir jemals dorthin gelangen können, ist, indem wir Arbeiten wie diese durchführen und mechanistisch verstehen, womit wir beginnen und wie sich die Dinge bilden. Das ist das ultimative Ziel."
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