Хіміки експериментально визначили геометрію найбільш стійкої структури одного з найстабільніших золотих нанокластерів, що складається з 561 атома. За допомогою нагрівання цих кластерів вдалося показати, що з двох близьких по енергії геометрій - кубовідаедричної і декаедричної - більш стійка перша, хоч різниця енергій становить всього 0,04 електронвольту, пишуть вчені в статті в.
Для багатьох наночастинок, що складаються з декількох сотень атомів, можливо утворення декількох стійких ізомерних конфігурацій. Наприклад, для одного з найбільш стійких нанокластерів золота, що складається з 561 атома можливо утворення двох дуже близьких по енергії стабільних структур. Кластери першого типу мають структуру правильного кубооктаедру, а кластери другого - структуру так званого Іно-декаедра, усіченої в екваторіальній площині п'ятикутної біфіраміди.
Оскільки енергії двох типів кластерів дуже близькі один до одного, то навіть при високотемпáному випалі, коли зберігаються переважно більш стійкі наноструктури, складно визначити, енергія якого стану все-таки нижче. Тим не менш, така інформація може виявитися корисною, наприклад, для підвищення ефективності досить поширених каталізаторів на основі золотих наночастинок.
Щоб визначити, який з двох кластерів золота Au561 все ж більш стійкий, хіміки з Великобританії та Італії під керівництвом Річарда Палмера (Richard E. Palmer) з Університету в Суонсі провели дослідження динаміки переходу кластерів з одного стану в інше при нагріванні за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії високої роздільної здатності. Для цього вчені нанесли суміш кластерів двох типів на аморфну підкладку з нітрида кремнію і повільно підвищували температуру від кімнатної до 500 градусів Цельсія, стежачи при цьому за структурою окремих кластерів і кількісним співвідношенням між частинками двох типів. Отримані експериментальні дані хіміки порівняли з результатами чисельного моделювання атомної структури наночастинок при різних температурах.
Вчені відзначають, що в усьому температурному діапазоні кількісне співвідношення між кластерами двох типів залишалося приблизно на постійному рівні, проте невелика частина кластерів все ж змінювала свою структуру при нагріванні, особливо на початкових етапах процесу, коли поведінка системи контролювалася кінетичними ефектами, а не термодинамікою. Так, спочатку при підвищенні температури відбувалося перетворення невеликого числа кластерів з декаедричного стану в кубооктаедричне, але при подальшому нагріванні частина кластерів знову приймала форму Іно-декаедра, і при нагріванні вище 150 градусів Цельсія кількісне співвідношення між двома типами структур вже майже не змінювалося. На основі отриманих експериментальних і численних даних вченим вдалося кількісно оцінити різницю в енергіях двох структур.
Виявилося, що обидві кластерні геометрії дуже близькі один до одного по енергії, проте злегка більш стійка все ж кубооктаедрична геометрія, при цьому відмінність в енергії становить всього 0,04 електронвольта.
Автори роботи зазначають, що отримані ними експериментальні результати стануть одним з важливих орієнтирів для перевірки існуючих теоретичних моделей і при створенні нових. Зокрема, ці дані можуть виявитися вкрай корисними при розробці та отриманні каталізаторів на основі золотих наночастинок.
За рахунок можливості збудження поверхневих плазмонів в золотих наночастинках при опроміненні світлом, їх активно використовують не тільки для каталізу, але і, наприклад, в оптичних наноустроях. Так, за допомогою анізотропних золотих наночастинок фізикам вдалося посилити інтенсивність оптичних гребінець, які використовуються для кібербезпеки та визначення токсичних речовин. А можливий нагрів золотих частинок при опроміненні дозволяє застосовувати їх для фототермотерапії ракових захворювань.