Этот метод, подробно описанный 19 апреля в журнале Nature Communications, является последним открытием в новой области капельной химии и может привести к созданию более экологически безопасных способов производства наночастиц золота и других металлов, сказал руководитель исследования Ричард Заре, химик. в Школе гуманитарных и естественных наук и соучредитель Stanford Bio-X.«Возможность проводить реакции в воде означает, что вам не нужно беспокоиться о загрязнении. Это зеленая химия», — сказала Заре, профессор естествознания в Стэнфорде Маргерит Блейк Уилбур.Благородный металл
Золото известно как благородный металл, потому что оно относительно инертно. В отличие от неблагородных металлов, таких как никель и медь, золото устойчиво к коррозии и окислению, что является одной из причин, по которой оно является таким популярным металлом для изготовления ювелирных изделий.Однако примерно в середине 1980-х ученые обнаружили, что химическая отчужденность золота проявляется только в больших или макроскопических масштабах. В нанометровом масштабе частицы золота очень химически реактивны и являются отличными катализаторами.
Сегодня золотые наноструктуры нашли свое применение в самых разных областях, включая био-визуализацию, доставку лекарств, обнаружение токсичных газов и биосенсоры.Однако до сих пор единственным надежным способом получения наночастиц золота было объединение хлористоводородной кислоты-предшественника золота с восстановителем, таким как боргидрид натрия.
В результате реакции электроны от восстановителя передаются к золотохлористоводородной кислоте, высвобождая при этом атомы золота. В зависимости от того, как атомы золота затем собираются вместе, они могут образовывать наноразмерные шарики, проволоку, стержни, призмы и многое другое.
Золотая капляНедавно Заре и его коллеги задались вопросом, будет ли эта реакция образования золота протекать по-другому с крошечными, микронными каплями хлористоводородной кислоты и боргидида натрия.
Насколько велика микрокапля? «Это похоже на выдавливание флакона духов, из которого разбрызгивается туман из микрокапель», — сказал Заре.Из предыдущих экспериментов ученые знали, что некоторые химические реакции в микрокаплях протекают намного быстрее, чем в больших объемах раствора.Действительно, команда заметила, что наночастицы золота в микрокаплях росли более чем в 100000 раз быстрее.
Однако наиболее поразительное наблюдение было сделано во время проведения контрольного эксперимента, в котором восстановитель, который обычно высвобождает частицы золота, заменен микрокаплями воды.«К нашему большому недоумению, мы обнаружили, что золотые наноструктуры могут быть созданы без каких-либо добавленных восстановителей», — сказал первый автор исследования Джэ Киу Ли, научный сотрудник.
При просмотре под электронным микроскопом наночастицы золота и нанопроволоки кажутся сросшимися вместе, как ягодные кластеры на ветке.Это неожиданное открытие означает, что микрокапли чистой воды могут служить в качестве микрореакторов для производства наноструктур золота. «Это еще одно свидетельство того, что реакции в каплях воды могут фундаментально отличаться от реакций в объемной воде», — сказала соавтор исследования Девлина Саманта, бывшая аспирантка лаборатории Заре и соавтор статьи.
По словам Заре, если процесс можно будет расширить, это может устранить необходимость в потенциально токсичных восстановителях, которые имеют вредные побочные эффекты для здоровья или могут загрязнять водные пути.До сих пор неясно, почему микрокапли воды способны заменить восстановитель в этой реакции. Одна из возможностей заключается в том, что преобразование воды в микрокапли значительно увеличивает площадь ее поверхности, создавая возможность для формирования сильного электрического поля на границе раздела воздух-вода, что может способствовать образованию наночастиц золота и нанопроволок.
«Площадь поверхности литрового стакана с водой составляет менее одного квадратного метра. Но если вы превратите воду в этом стакане в микрокапли, вы получите около 3000 квадратных метров площади поверхности, что составляет примерно половину футбольного мяча. поле ", — сказал Заре.
Команда изучает способы использования наноструктур для различных каталитических и биомедицинских приложений и совершенствует свою технику для создания золотых пленок.«Мы наблюдали сеть нанопроволок, которая может позволить сформировать тонкий слой нанопроволок», — сказал Саманта.