Les chimistes de l’Université Rice ont découvert que de minuscules particules de « graines » d’or, un ingrédient clé dans l’une des recettes de nanoparticules les plus courantes, sont une seule et même chose que les buckyballs d’or, des molécules sphériques à 32 atomes qui sont cousines des buckyballs de carbone découverts à Rice en 1985.
Les buckyballs de carbone sont des molécules creuses de 60 atomes qui ont été co-découvertes et nommées par le regretté chimiste Rice Richard Smalley. Il les a surnommés « buckminsterfullerènes » parce que leur structure atomique lui rappelait les dômes géodésiques de l’architecte Buckminster Fuller, et la famille des « fullerènes » s’est développée pour inclure des dizaines de molécules creuses.
En 2019, les chimistes de Rice Matthew Jones et Liang Qiao ont découvert que les fullerènes dorés sont les particules d’or « graines » que les chimistes utilisent depuis longtemps pour fabriquer des nanoparticules d’or. La découverte est survenue quelques mois seulement après la première synthèse rapportée de buckyballs d’or, et elle a révélé que les chimistes utilisaient sans le savoir les molécules d’or depuis des décennies.
« Ce dont nous parlons est, sans doute, la méthode la plus répandue pour générer un nanomatériau », a déclaré Jones. « Et la raison en est que c’est tellement simple. Vous n’avez pas besoin d’équipement spécialisé pour cela. Les élèves du secondaire peuvent le faire. »
Jones, Qiao et des co-auteurs de Rice, de l’Université Johns Hopkins, de l’Université George Mason et de l’Université de Princeton ont passé des années à compiler des preuves pour vérifier la découverte, et ont récemment publié leurs résultats dans Communication Nature.
Jones, professeur adjoint en chimie et science des matériaux et nano-ingénierie à Rice, a déclaré que le fait de savoir que les nanoparticules d’or sont synthétisées à partir de molécules pourrait aider les chimistes à découvrir les mécanismes de ces synthèses.
« C’est la grande image de la raison pour laquelle ce travail est important », a-t-il déclaré.
Jones a déclaré que les chercheurs avaient découvert au début des années 2000 comment utiliser des particules de graines d’or dans des synthèses chimiques qui produisaient de nombreuses formes de nanoparticules d’or, notamment des bâtonnets, des cubes et des pyramides.
« C’est vraiment intéressant de pouvoir contrôler la forme des particules, car cela modifie de nombreuses propriétés », a déclaré Jones, professeur adjoint en chimie, science des matériaux et nano-ingénierie chez Rice. « C’est la synthèse que presque tout le monde utilise. Elle est utilisée depuis 20 ans, et pendant toute cette période, ces graines ont simplement été décrites comme des » particules « . »
Jones et Qiao, un ancien chercheur postdoctoral du laboratoire de Jones, ne cherchaient pas l’or-32 en 2019, mais ils l’ont remarqué dans les lectures de spectrométrie de masse. La découverte des buckyballs au carbone 60 s’est produite de la même manière. Et les coïncidences ne s’arrêtent pas là. Jones est professeur adjoint Norman et Gene Hackerman en chimie à Rice. Smalley, qui a partagé le prix Nobel de chimie 1996 avec Robert Curl de Rice et Harold Kroto du Royaume-Uni, a occupé une chaire Hackerman en chimie chez Rice pendant de nombreuses années avant sa mort en 2005.
Confirmer que les graines largement utilisées étaient des molécules d’or-32 plutôt que des nanoparticules a demandé des années d’efforts, y compris une imagerie de pointe par le groupe de recherche de Yimo Han à Rice et des analyses théoriques détaillées par les groupes de Rigoberto Hernandez à Johns Hopkins et André Clayborne chez George Mason.
Jones a déclaré que la distinction entre nanoparticule et molécule est importante et essentielle pour comprendre l’impact potentiel de l’étude.
« Les nanoparticules sont généralement de taille et de forme similaires, mais elles ne sont pas identiques », a déclaré Jones. « Si je fabrique un lot de nanoparticules d’or sphériques de 7 nanomètres, certaines d’entre elles auront exactement 10 000 atomes, mais d’autres pourraient en avoir 10 023 ou 9 092.
« Les molécules, en revanche, sont parfaites », a-t-il déclaré. « Je peux écrire une formule pour une molécule. Je peux dessiner une molécule. Et si je fais une solution de molécules, elles sont toutes exactement les mêmes dans le nombre, le type et la connectivité de leurs atomes. »
Jones a déclaré que les nanoscientifiques ont appris à synthétiser de nombreuses nanoparticules utiles, mais que les progrès sont souvent le fruit d’essais et d’erreurs car « il n’y a pratiquement aucune compréhension mécaniste » de leur synthèse.
« Le problème ici est assez simple », a-t-il déclaré. « C’est comme dire : ‘Je veux que tu me fasses un gâteau, et je vais te donner un tas de poudres blanches, mais je ne vais pas te dire ce que c’est.’ Même si vous avez une recette, si vous ne savez pas quels sont les ingrédients de départ, c’est un cauchemar de savoir quels ingrédients font quoi. »
« Je veux que la nanoscience ressemble à la chimie organique, où vous pouvez fabriquer essentiellement tout ce que vous voulez, avec toutes les propriétés que vous voulez », a déclaré Jones.
Il a dit que les chimistes organiques ont un contrôle exquis sur la matière « parce que les chimistes avant eux ont fait un travail mécaniste incroyablement détaillé pour comprendre toutes les façons précises dont ces réactions fonctionnent. Nous sommes très, très loin de cela en nanoscience, mais la seule façon dont nous allons Pour y arriver, il faut faire un travail comme celui-ci et comprendre, de manière mécanique, par quoi nous commençons et comment les choses se forment. C’est le but ultime.
Plus d’information:
Liang Qiao et al, Les nanoclusters atomiquement précis ensemencent principalement des synthèses de nanoparticules d’or, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-40016-3