配体分子体积调控金纳米颗粒的尺寸

北卡罗来纳州立大学研究者发现,金纳米颗粒合成中使用的“巨型”分子决定了所得颗粒的尺寸:这些被称作“配体”的分子越大,得到的金纳米颗粒越小。这项研究同样指出,每种类型的配体分子产生尺寸离散(不相关联的)分布的颗粒。

Joseph Tracy—北卡罗来纳州立大学材料工程与工程学的助理教授,同样也是该工作的共同作者—指出:“这项工作深入了我们对金纳米颗粒形成过程的认识,同时为我们提供了一种控制纳米颗粒尺寸与性质的新手段。”金纳米颗粒现在已经被应用于工业化学工程,医学以及电子领域。

配体越大,能够肩并肩地排列的配体就越少 - 导致更小的纳米粒子。

在合成金纳米颗粒时,科学家通常会使用称作“配体”的有机分子来调控该过程。这些配体会有效地使金原子在溶液中聚合成颗粒。在这个过程中,配体分子会肩并肩地排列并三维环绕纳米粒子。

研究者非常关心配体的体积是否对颗粒的尺寸产生影响,于是挑选了在金颗粒合成常用的三种硫醇化合物。具体来说,配体分子位阻体积由小到大分别是线性己硫醇(hexanethiolate,-SC6),环己硫醇(cyclohexanethiolate,-SCy)和1-金刚烷硫醇(adamantanethiolate,-SAd),如图所示。

例如,配体分子可以形象化地被看成一块饼,而金原子就贴在它的尖端。-SC6是那种细窄的饼,-SCy相对大一些,而-SAd是最大的——饼的外壳楔形部分远大于尖端部分。

研究者发现配体分子的大小决定了颗粒的尺寸。由于少-SAd和-SCy配体可以在三维空间彼此相邻排列,导致了更少的金原子堆积在核心处,这就使得所得到的颗粒更小。而-SC6是体积最小的配体(较另外两种硫醇化合物),能够得到更大的纳米颗粒。

“我们发现这是一个非常有效的控制金颗粒尺寸的方法,它对其他材料的合成或许有很好的启示。”文章的第一作者,北卡罗来纳州立大学的博士生Peter Krommenhoek指出,“这正是我们现在研究的。”

但是,研究者同时也发现了另一有趣的现象。

当形成的颗粒十分小的时候,它的尺寸会表现出一定的离散(不相关联的)分布的性质。例如,有些类型的颗粒由25个或者28个金原子构成,而绝不会是26或者27个。

在这项研究中,研究者发现配体分子的体积同样影响到颗粒的离散性质。“这是一个非常有趣的现象,因为每一种离散的尺寸就代表着不同的金原子数目和配体数目”。Tracy说“这就可以影响颗粒的化学行为。这个问题至今仍未得到解决。”

这篇文章,“Bulky Adamantanethiolate and Cyclohexanethiolate Ligands Favor Smaller Gold Nanoparticles with Altered Discrete Sizes”6月15日在网上发表于ACS Nano。文章由Junwei Wang博士,前北卡州立大学博士后;Nathaniel Hentz博士,北卡州立大学Golden LEAF Biomanufacturing Training and Education Center;Krystian Kozek,前北卡州立大学本科生;Aaron Johnston-Peck博士,布鲁克海文国家实验室的博士后和圣地亚哥州立大学Gregory Kalyuzhny博士共同发表。

这项研究是由国家科学基金会和美国教育部支持。