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(Foco Nanowerk) Las nanopartículas de metales preciosos, como el oro y la plata, se han estudiado ampliamente por sus propiedades ópticas, electrónicas y catalíticas, que pueden ajustarse controlando su tamaño, forma y composición. Sin embargo, producir nanopartículas con geometrías específicas y propiedades deseadas sigue siendo un desafío importante, lo que limita sus aplicaciones prácticas.
Un área de particular interés es el desarrollo de nanopartículas quirales. Se trata de nanopartículas que poseen una forma única de asimetría conocida como quiralidad. Esto significa que tienen cierta “lateralidad”, similar a cómo las manos izquierda y derecha son imágenes especulares, pero no se pueden colocar perfectamente una encima de la otra. En el contexto de las nanopartículas, esto significa la capacidad de existir en dos formas que son imágenes especulares entre sí pero que no pueden superponerse.
Las nanopartículas quirales se han mostrado prometedoras en aplicaciones como la detección, la catálisis y la fotónica debido a su capacidad para interactuar de manera diferente con la luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha. Sin embargo, el control preciso de la quiralidad de las nanopartículas se ha visto limitado por la falta de comprensión de los mecanismos subyacentes que controlan la transferencia de quiralidad de las moléculas a las nanopartículas durante la síntesis.
En los últimos años, el crecimiento mediado por semillas ha surgido como un enfoque poderoso para producir nanopartículas de metales nobles con tamaño, forma y composición controlados. Este método utiliza pequeñas semillas de nanopartículas que sirven como sitios de nucleación para el crecimiento de nanopartículas más grandes. Al controlar cuidadosamente las condiciones de crecimiento, como la concentración de precursores, tensioactivos y aditivos, los investigadores han podido crear una amplia variedad de formas de nanopartículas, incluidas varillas, cubos y octaedros. Sin embargo, el uso de aditivos extraños, como iones metálicos, para controlar la quiralidad de las nanopartículas durante el crecimiento mediado por semillas sigue en gran medida inexplorado.
Bueno, en un estudio reciente publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense (“Cu2+“Transferencia de quiralidad dominada de moléculas quirales a nanopartículas de Au quirales cóncavas”), un equipo de investigación de la Universidad de Wuhan en China ha desarrollado un nuevo enfoque para producir nanopartículas de oro quirales con superficies cóncavas y propiedades ópticas y catalíticas mejoradas. Dirigido por el Prof. Qingfeng Zhang, el equipo demostró que la introducción de iones de cobre (Cu2+) durante el crecimiento mediado por semillas de nanopartículas de oro puede cambiar drásticamente su evolución geométrica y conducir a la formación de nanopartículas quirales cóncavas con quiralidad geométrica enriquecida.
Los investigadores comenzaron sintetizando nanopartículas de rombicuboctaedro de oro monocristalino que servirían como semillas para el proceso de crecimiento quiral. Luego colocaron las semillas en una solución de crecimiento que contenía precursores de oro, tensioactivos, agentes reductores y moléculas quirales como glutatión o cisteína.
“Sorprendentemente, descubrimos que al agregar trazas de Cu2+ «Agregar iones a la solución de crecimiento cambia drásticamente el resultado del proceso de crecimiento quiral y conduce a la formación de nanopartículas quirales cóncavas con una geometría de cubo de vórtice distinta», explica Zhang a Nanowerk.
A través de una serie de cuidadosos experimentos y modelos teóricos, los investigadores demostraron que el Cu2+ Los iones desempeñan un papel crucial en el control del crecimiento quiral de las nanopartículas al activar selectivamente la deposición de átomos de oro a lo largo de direcciones cristalográficas específicas. Esta deposición selectiva da como resultado la formación de superficies cóncavas con facetas de alto índice que se sabe que son más activas catalíticamente que las correspondientes facetas de bajo índice.
Las facetas de alto índice se refieren a los planos cristalográficos específicos de una nanopartícula que tienen un alto índice de Miller. El índice de Miller es un sistema de notación en cristalografía que describe la alineación de planos en una red cristalina. Las facetas de alto índice son superficies con geometrías complejas, a menudo más «escalonadas» y «retorcidas», en comparación con las facetas de bajo índice, que son más planas y suaves. Se sabe que estas facetas de alto índice son más activas catalíticamente debido a su mayor superficie y a la presencia de más sitios reactivos, lo que las hace muy deseables para aplicaciones en catálisis.
Los investigadores investigaron más a fondo las propiedades ópticas de las nanopartículas quirales cóncavas utilizando una combinación de mediciones experimentales y simulaciones numéricas. Descubrieron que las nanopartículas quirales cóncavas exhiben señales de dicroísmo circular significativamente mejoradas en comparación con sus contrapartes convexas, lo que indica una interacción más fuerte con la luz polarizada circularmente.
El dicroísmo circular es una forma de absorción de luz que se produce de forma diferente según la polarización de la luz. En concreto, se refiere al fenómeno de que las moléculas quirales, o en este caso nanopartículas, absorben luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha en diferentes grados. Esta propiedad es crucial para aplicaciones en detección y fotónica, donde la interacción con luz de diferente polarización se puede utilizar para detectar o manipular materiales.
El origen de este aumento de quiralidad se ha atribuido a la disposición geométrica única de las superficies cóncavas, que produce un patrón quiral distinto de resonancias de plasmón superficial.
Para demostrar la utilidad práctica de las nanopartículas quirales cóncavas, los investigadores examinaron su actividad catalítica en la electrooxidación de aminoácidos, que son moléculas quirales importantes en biología y medicina. Descubrieron que las nanopartículas quirales cóncavas exhiben una actividad catalítica y una selectividad significativamente mayores para la oxidación de enantiómeros de aminoácidos específicos en comparación con sus contrapartes convexas. Este aumento de actividad se atribuyó a la alta densidad de pasos atómicos y torceduras en las superficies cóncavas, que proporcionan sitios más activos para la catálisis.
El desarrollo de este Cu2+La estrategia de crecimiento quiral dominada representa un avance significativo en el campo de la síntesis de nanomateriales y abre nuevas formas de producir nanopartículas quirales con propiedades personalizadas para una amplia gama de aplicaciones. Al proporcionar un enfoque simple y versátil para controlar la quiralidad y la estructura superficial de las nanopartículas, este trabajo podría conducir al desarrollo de nuevos catalizadores, sensores y dispositivos fotónicos con rendimiento y especificidad mejorados.
Además, los conocimientos adquiridos en este estudio también podrían arrojar luz sobre los mecanismos fundamentales que subyacen a la transferencia de quiralidad de las moléculas a las nanopartículas, que durante mucho tiempo sigue siendo un misterio en este campo. Al dilucidar el papel de los iones extraños en el control del proceso de crecimiento quiral, este trabajo proporciona un nuevo marco para comprender la compleja interacción entre la química de superficies, la cristalografía y la estructura geométrica en la determinación de las propiedades de las nanopartículas quirales.
“De cara al futuro, imaginamos nuestro Cu2+«La estrategia de crecimiento quiral dominada podría extenderse a otros metales y materiales nobles, abriendo nuevas oportunidades para crear nanoestructuras quirales con propiedades y funciones novedosas», concluye Zhang.
A medida que el campo de los nanomateriales continúa evolucionando y madurando, la capacidad de controlar con precisión la quiralidad y la estructura superficial de las nanopartículas podría permitir una nueva generación de materiales avanzados con un rendimiento y una funcionalidad sin precedentes.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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