Использование бактерий в воде для производства золотых наночастиц

Исследователи из Стэнфорда выяснили, что эксперимент, который в силу дизайна не должен был давать каких-либо заметных результатов, вместо этого привел к «изумительному» удивлению: новая методология для производства наночастиц золота и нанопроволока с помощью капель воды.

Золотые наночастицы прикреплены к нитям золотых нанопроволок. Обе структуры были сформированы с использованием новой окислительно-восстановительной реакции с участием микрокапель воды. (Изображение: Jae Kyoo Lee)

По словам Ричарда Заре, ведущего автора исследования и химика в Школе гуманитарных наук и наук и соучредителя Stanford Bio-X, этот метод является недавним открытием в инновационной области химии на капле и может открыть дверь для более экологически чистых методов создания наночастиц золота и других металлов. Эта техника была описана в журнале Nature Communications от 19 апреля 2018 года.

" Возможность реагировать в воде означает, что вам не нужно беспокоиться о заражении. Это зеленая химия – заявил Заре, который является профессором Маргарита Блейка Уилбера в области естественных наук в Стэнфорде.

Благородный металл

Золото называют благородным металлом из-за его относительно нереактивного характера. В отличие от неблагородных металлов, таких как медь и никель, золото обладает высокой устойчивостью к окислению и коррозии, поэтому широко используется для изготовления ювелирных изделий.

Однако в середине 1980-х годов исследователи обнаружили, что химически нереактивная природа золота проявляется только в больших (или макроскопических) масштабах. Однако в наномасштабе частицы золота химически сильно реагируют и действуют как исключительные катализаторы. В настоящее время наноструктуры золота используются в широком спектре применений, таких как биосенсоры, обнаружение токсичных газов, доставка лекарств и биоизображение.

Однако на сегодняшний день единственным надежным методом получения наночастиц золота была смесь хлорауриновой кислоты, предшественника золота, с восстановителем, например, боргидридом натрия.

Во время реакции электроны из восстановителя переносятся в хлорауриновую кислоту, тем самым высвобождая в ней атомы золота. Основываясь на том, как атомы золота собираются вместе, они образуют призмы, стержни, провода, наноразмерные бусины и т. Д.

Спритц золота

В недавнем прошлом Заре и его команда размышляли о том, будет ли реакция на добычу золота по-другому развиваться при использовании крошечных микрометровых капель хлорауриновой кислоты и боргидрида натрия. Каков размер большой микрокапли? « Это похоже на сжатие флакона с ароматом и из спризиса – туман из микрокапель », – заявил Заре.

Из более ранних экспериментов исследователи предположили, что некоторые химические реакции в микрокапельках значительно ускоряются, чем в объемах более крупного раствора.

Фактически, исследователи обнаружили, что наночастица золота увеличилась более чем в 100 000 раз быстрее в микрокапельках. Тем не менее, самое замечательное наблюдение было сделано при проведении контрольного эксперимента, в котором восстанавливающий агент, который обычно высвобождает частицы золота, был заменен микрокапельками воды.

«. К большому недоумению мы обнаружили, что наноструктуры золота могут быть изготовлены без каких-либо добавленных восстановителей », – заявил Jae Kyoo Lee, научный сотрудник, который является первым автором исследования.

]

При наблюдении под электронным микроскопом золотые нанопроволоки и наночастицы, казалось, сливались вместе, как и ягодные кластеры на ветке

Случайное открытие показывает, что микрокапельки чистой воды могут выступать в качестве микрореакторов для производства наноструктур золота. « Это еще больше доказательств того, что реакции в капельках воды могут принципиально отличаться от реакций в объемной воде », – заявила Девлеена Саманта, соавтор исследования, бывший аспирант лаборатории Zare, а также co -автор на бумаге.

Заре заявил, что, если процесс может быть коммерциализирован, можно избежать необходимости использования потенциально токсичных восстановителей с вредными побочными эффектами для здоровья или потенциальными загрязнителями водных путей.

Однако до сих пор нет четкого объяснения способности микрокапельки воды замещать восстановитель в этой реакции. Одна из вероятностей может заключаться в том, что когда вода трансформируется в микрокапельки, ее площадь поверхности значительно увеличивается, прокладывая путь для образования сильного электрического поля на границе раздела воздух-вода, что может способствовать образованию золотых нанопроволок и наночастиц.

Площадь поверхности на однолитровом стакане воды составляет менее одного квадратного метра. Но если вы превратите воду в этот стакан в микрокапельки, вы получите около 3000 квадратных метров площади поверхности – примерно половину футбольного поля

Заре, профессор естественных наук в Стэнфорде

Исследователи искали способы использования наноструктур для различных биомедицинских и каталитических применений и для улучшения их способа получения пленок золота

« Мы наблюдали сеть нанопроволок, которая может позволить образование тонкого слоя нанопроволок », – заявила Саманта.

Заре также является преподавателем Стэнфордского университета ЧЕМ-Х, а также членом Стэнфордского сердечно-сосудистого института, Стэнфордского онкологического института, Стэнфордского института нейробиологии и Института Стэнфордского леса для окружающей среды.

Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США по фундаментальным исследованиям, Институтом фундаментальной науки в Корее, Высшим стипендиатом Уинстона Чен Стэнфорда, Центром молекулярного анализа и дизайна и Национальным научным фондом

Хун Гил Нам в DGIST в Южной Корее был другим соавтором исследования.

Source link