Британські вчені синтезували почесні наноструктури золота товщиною в два атоми (0,47 нанометра) в розчині без підкладки. Синтез вдався завдяки наявності в реакційній суміші метилоранжу, що забезпечив плоску поверхню, вздовж якої росли частинки. Вивчивши механізм зростання нанолістів, хіміки продемонстрували їх здатність каталізувати органічні реакції відновлення і замінювати пероксидазу в біохімічних реакціях. Дослідження опубліковано в журналі.
Почесні наноматеріали товщиною в кілька атомів (наприклад, графен) представляють для науки великий інтерес через свої унікальні електричні, механічні і поверхневі властивості, які забезпечуються високим значенням співвідношення площі поверхні до обсягу структур. Властивості почесних наноматеріалів дозволяють використовувати їх в медицині, сенсорних пристроях, а також в якості каталізаторів безлічі органічних реакцій. Особливо високу каталітичну активність проявляють тонкі кепські наноматеріали з благородних металів: це забезпечується площею поверхні, на якій відбувається реакція.
Одна з проблем створення почесних металевих наноструктур - прагнення речовини до зниження енергії міжмолекулярної взаємодії частинок поверхні з іншою фазою: частинки намагаються зібратися в ізотропний тривимірний кристал, щоб кількість нескомпенсованих взаємодій і, відповідно, площа поверхні були мінімальними. Тому для утворення нанорозмірного листа його атоми необхідно до чого-небудь прикріпити.
На сьогоднішній день найбільш часто використовують два способи вирішення цієї проблеми: вирощування почесних структур металів на підкладках (таких як ламелярні гідрогелі, а також графен і його похідні) або зниження поверхневої енергії за допомогою поверхнево-активних речовин на зразок різних полімерів або газів.
Група вчених під керівництвом Стівена Еванса (Stephen Evans) з Університету Лідса вперше синтезувала пластівці золотих нанолістів у водному розчині без підкладки. Нановодорості (так вони назвали нову структуру за її морфологію, колір і зріст у воді) отримали з реакції відновлення тетрахлороаурата (III) водню (HAuCl4) цитратом натрію у водному розчині метилоранжу. Через дванадцять годин витримування при температурі 20 градусів Цельсія сірий розчин центрифугували і промили продукт реакції деіонізованою водою.
Зелено-синій розчин золотих нановодоростей залишався стабільним понад 15 місяців і, згідно з результатами ВК-спектроскопії, не містив ізотропних частинок.
За зображеннями, отриманими за допомогою атомно-силового мікроскопа, автори визначили, що товщина частинок становить близько 0,48 нанометра, а дослідження кристалічної структури підтвердили, що плоский кристал складається всього з двох шарів атомів золота.
Щоб вивчити механізм освіти нановодоростей, автори провели реакцію у водному середовищі, але без метилоранжу: в результаті вони отримали тривимірні частинки розміром близько 50 нанометрів. Наявність метилоранжу в суміші, тому, виявилося критичним для формування плоских пластівців. За рахунок жорсткої ароматичної структури, гідрофобної частини і гідрофільних бічних заступників, молекули цієї органічної речовини були здатні вибудовуватися в площині, вздовж яких і «росли» золоті нановодорості. Сильна взаємодія метилоранжу з атомами золота не дозволяла рости кристалу вгору, аналогічно тому, як монооксид вуглецю не дає вирости в товщину нанолистам паладію або родію.
Порівнюючи швидкості реакції відновлення 4-нітрофенолу боргідридом натрію в присутності нановодоростей і наночастинок золота, отриманих без застосування метилоранжу, автори зафіксували, що нові частинки з більшою площею поверхні володіють каталітичною активністю в 10 разів вище. Більш того, каталізатор зберігав 90 відсотків своєї активності навіть після шести використань і успішно проявив себе в біохімічних реакціях як заміна пероксидази.
За словами авторів, золоті нановодорості стануть у нагоді не тільки в каталізі, але і в медицині та створенні сенсорних матеріалів. За запропонованою методикою також, можливо, вийде синтезувати і частинки з інших металів з унікальними властивостями.
Більше про каталізаторів і їх майбутнє можна прочитати в нашому інтерв'ю з професором Кардіффського університету Гремом Хатчінгсом (Graham J. Hutchings) - одного з основоположників вивчення гетерогенного каталізу на основі золота.