Químicamente igual, el grafito y los diamantes son tan distintos físicamente como dos minerales pueden ser, uno opaco y blando, el otro translúcido y duro. Lo que los hace únicos es su diferente disposición de átomos de carbono.
Los polimorfos, o materiales con la misma composición pero diferentes estructuras, son comunes en materiales a granel, y ahora un nuevo estudio en Comunicaciones de la naturaleza confirma que también existen en nanomateriales. Los investigadores describen dos estructuras únicas para el icónico nanocluster de oro Au144 SR 60, más conocido como Gold-144, que incluye una versión nunca antes vista. Su descubrimiento les brinda a los ingenieros un nuevo material para explorar,junto con la posibilidad de encontrar otras nanopartículas polimórficas.
"Esto tardó cuatro años en desenredarse", dijo Simon Billinge, profesor de física en Columbia Engineering y miembro del Instituto de Ciencia de Datos. "No esperábamos que los grupos tomaran más de un arreglo atómico. Pero este descubrimientonos da más manejadores a la hora de diseñar clústeres con propiedades nuevas y útiles "
El oro se ha usado en monedas y joyas durante miles de años por su durabilidad, pero lo reduce a un tamaño 10,000 veces más pequeño que un cabello humano, y se vuelve salvajemente inestable e impredecible. A la nanoescala, al oro le gusta dividir a otrospartículas y moléculas, lo que lo convierte en un material útil para purificar el agua, obtener imágenes y matar tumores, y hacer que los paneles solares sean más eficientes, entre otras aplicaciones.
Aunque en el laboratorio se han producido una variedad de partículas y moléculas de nanogold, muy pocas han revelado su disposición atómica secreta. Pero recientemente, las nuevas tecnologías están enfocando estas minúsculas estructuras.
Bajo un enfoque, los rayos de rayos X de alta energía se disparan a una muestra de nanopartículas. Se utilizan análisis de datos avanzados para interpretar los datos de dispersión de rayos X e inferir la estructura de la muestra, que es clave para comprender qué tan fuerte, reactivo oduraderas las partículas pueden ser.
Billinge y su laboratorio han sido pioneros en un método, el análisis de la función de distribución de pares atómicos PDF, para interpretar estos datos de dispersión. Para probar el método PDF, Billinge pidió a los químicos de la Universidad Estatal de Colorado que hicieran pequeñas muestras de Gold-144,un grupo de nanogold del tamaño de una molécula aislado por primera vez en 1995. Su estructura se había predicho teóricamente en 2009, y aunque nunca se confirmó, Gold-144 ha encontrado numerosas aplicaciones, incluso en imágenes de tejidos.
Esperando que la prueba confirmara la estructura del Gold-144, analizaron los grupos en la Fuente Europea de Radiación de Sincrotrón en Grenoble, y usaron el método PDF para inferir su estructura. Para su sorpresa, encontraron un núcleo angular, y no la esfera.como predijo el núcleo icosaédrico. Cuando hicieron una nueva muestra e intentaron el experimento nuevamente, esta vez usando sincrotrones en los laboratorios nacionales Brookhaven y Argonne, la estructura volvió esférica.
"No entendimos lo que estaba sucediendo, pero al profundizar, nos dimos cuenta de que teníamos un polimorfo", dijo la coautora del estudio Kirsten Jensen, ex investigadora postdoctoral en Columbia, ahora profesora de química en la Universidad de Copenhague.
Otros experimentos confirmaron que el clúster tenía dos versiones, a veces encontradas juntas, cada una con una estructura única que indica que se comportan de manera diferente. Los investigadores aún no están seguros de si Gold-144 puede cambiar de una versión a otra o, qué es exactamente, diferenciar las dosformas
Para hacer su descubrimiento, los investigadores resolvieron lo que los físicos llaman el problema inverso de la nanoestructura. ¿Cómo se puede inferir la estructura de una pequeña nanopartícula en una muestra a partir de una señal de rayos X que se ha promediado en millones de partículas, cada una con diferentes orientaciones?
"La señal es ruidosa y muy degradada", dijo Billinge. "Es el equivalente a tratar de reconocer si el pájaro en el árbol es un petirrojo o un cardenal, pero la imagen en sus binoculares es demasiado borrosa y distorsionada como para saberlo."
"Nuestros resultados demuestran el poder del análisis PDF para revelar la estructura de partículas muy pequeñas", agregó el coautor del estudio Christopher Ackerson, profesor de química en el estado de Colorado. "He estado probando, de vez en cuando, durante más de 10 añospara obtener la estructura de rayos X de un solo cristal de Gold-144. La presencia de polimorfos ayuda a explicar por qué esta molécula ha sido tan resistente a los métodos tradicionales ".
El enfoque PDF es uno de los varios métodos rivales que se están desarrollando para enfocar la estructura de las nanopartículas. Ahora que ha demostrado su eficacia, podría ayudar a acelerar el trabajo de describir otras nanoestructuras.
El objetivo final es diseñar nanopartículas por sus propiedades deseadas, en lugar de a través de prueba y error, entendiendo cómo se relacionan la forma y la función. Las bases de datos de estructuras conocidas y predichas podrían permitir diseñar nuevos materiales con unos pocos clics del mouse.
El estudio es un primer paso.
"Hemos tenido un modelo de estructura para esta molécula de oro icónica durante años y luego este estudio aparece y dice que la estructura es básicamente correcta pero tiene un doppelgänger", dijo Robert Whetten, profesor de física química en la Universidad deTexas, San Antonio, que dirigió el equipo que aisló por primera vez el Gold-144. "Parecía absurdo tener dos estructuras distintas que subyacen a su ubicuidad, pero este es un hermoso artículo que convencerá a mucha gente".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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