Chemiker der Rice University haben herausgefunden, dass winzige Gold-„Samen“-Partikel, ein wichtiger Bestandteil in einem der häufigsten Nanopartikel-Rezepte, ein und dasselbe sind wie Gold-Buckyballs, kugelförmige Moleküle mit 32 Atomen, die Cousins der bei Rice im Jahr 2010 entdeckten Kohlenstoff-Buckyballs sind 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. Man braucht dafür keine spezielle Ausrüstung. Oberstufenschüler können es 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 veröffentlicht Naturkommunikation.
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 kontrollieren zu können, weil dadurch viele Eigenschaften verändert werden“, sagte Jones, Assistenzprofessor für Chemie, Materialwissenschaften und Nanotechnik bei Rice. „Das ist die Synthese, die fast jeder nutzt. Sie 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 modernster Bildgebung durch die Forschungsgruppe von Yimo Han am Rice College und detaillierter theoretischer Analysen durch die Gruppen beider Rigoberto Hernandez am 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 typischerweise in Größe und Form ähnlich, aber sie sind nicht identisch“, sagte Jones. „Wenn ich eine Charge 7 Nanometer großer kugelförmiger 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 man ein Rezept hat und die Ausgangsmaterialien nicht kennt, ist es ein Albtraum, herauszufinden, welche Zutaten was bewirken.“
„Ich möchte, dass die Nanowissenschaft wie die organische Chemie ist, in der man im Wesentlichen alles herstellen kann, was man will, mit allen gewünschten Eigenschaften“, sagte Jones.
Er sagte, organische Chemiker hätten eine ausgezeichnete Kontrolle über 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, den wir schaffen werden.“ Um dorthin zu gelangen, müssen wir solche Arbeiten ausführen und mechanistisch verstehen, womit wir beginnen und wie sich die Dinge bilden. Das ist das ultimative Ziel.“
Mehr Informationen:
Liang Qiao et al., Atomar präzise Nanocluster säen überwiegend Gold-Nanopartikelsynthesen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40016-3