Faraday neden altını şarap kırmızısına çevirebilir? 150 yılı aşkın gizem çözüldü
Maddenin yapısına hakim olmak, maddenin özelliklerini anlamak ve geliştirmek için temel koşullar sağlar.Bu nedenle, yapı araştırması bilimsel araştırmada çok önemli bir rol oynar. Kısa süre önce, Katı Hal Fiziği Enstitüsü, Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi'nde araştırmacı olan Wu Zhikun ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Carnegie Mellon Üniversitesi'nde profesör olan Jin Rongchao, uygun küme arası / iç zayıf etkileşim kuvvetlerini oluşturmak ve yüksek kalitede büyütmek için seçilen ligandlarla işbirliği yaptı. Au144 (SR) 60 kümesinin yapısı başarıyla çözüldü (Şekil 1). 144 altın atomu (Au) ve 60 koruyucu sülfhidril ligandından (SR) oluşan küme, uzun yıllardır bilim camiasını rahatsız etmiş ve altın nanoküme yapı araştırmalarının "Kutsal Kase" sidir. Bu temelde, araştırmacılar, metalin mükemmel termal sünekliğinin mikroskobik mekanizmasını, değişken sıcaklık deneyleri yoluyla ortaya çıkardılar. İlgili sonuçlar "Science Advances" (Science Advances) dergisinde yayınlandı, makalenin ilk yazarı yardımcı araştırmacı Yan Nan.
Hepimizin bildiği gibi, altın normal koşullar altında sarıdır, ancak 150 yıldan daha uzun bir süre önce (1857), ünlü İngiliz bilim adamı Faraday, parlak bir şarap kırmızısı altın sol sentezledi (rengi geliştiren malzeme aslında dökme altın içindeki atomlarla istiflenmişti. Aynı altın nanopartiküller, altın nanokristaller olarak da adlandırılır). Bu şarap kırmızısı altın, insanların ilgisini uyandırdı ve nanopartikül araştırma çağını açtı. Altın neden sol kırmızıdır? Tekli altın atomları, çözelti içinde nasıl altın nanokristallere yığılır ve büyür? Tek altın atomlarından altın nanokristallere yapı ve özellikler nasıl geliştirilir? Bu sorunlar insanların araştırma coşkusuna ilham verdi, ancak aynı zamanda insanları uzun süredir rahatsız ediyor. Altın atomları ve altın nanokristaller arasındaki altın nano kümeler, bu sorunları, özellikle nanokümelerden nanokristallere geçişin "kritik boyutuna" yakın olan nanokümeleri (nanokristaller) anlamak için ideal malzemeler sağlar. Özellikle tercih edilir. Ancak yapısının analizi oldukça zorlu bir konudur.
1996 gibi erken bir tarihte, Profesör Whitten ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki diğerleri kritik büyüklükte bir Au144 kümesi rapor etmişlerdir.O dönemdeki sentez teknolojisi ve karakterizasyon koşullarının sınırlamaları nedeniyle, kümenin kesin kompozisyon yapısı belirlenememiştir. On yıldan fazla süren sıkı çalışmanın ardından, 2009 yılında Jin Rongchao'nun ekibi, kümenin 144 altın atomu (Au) ve 60 koruyucu sülfhidril ligandından (SR) oluştuğunu belirledi. Aynı yıl, Finlandiyalı Lopez-Acevedo ve diğerleri, benzer sayıda metal atomuna sahip Pd (paladyum) 145 yapısına dayanan Au144 (SR) 60'ın çok katmanlı çekirdek-kabuk yapı modelini önerdiler, ancak bu model deneysel olarak doğrulanmadı. Hatta bazı çalışmalar Au144 (SR) 60 kristalinin çoklu kristal formlarının bir karışımı olduğunu ve X ışını kırınımı yoluyla tek bir kristal yapı elde etmenin imkansız olduğunu bile göstermiştir. Bu nedenle Au144 (SR) 60'ın yapısı bir muamma gibi görünüyor.
Son zamanlarda, Katı Hal Enstitüsü'nden araştırmacılar, Au144 (SR) 60'ın yapısını tek kristal X-ışını kırınımı ile çözdüler (Şekil 1) ve kümenin üç kabuklu (Au12-Au42-Au60) bir metal çekirdek ve yüzey 30'dan oluştuğunu doğruladılar. SR-Au-SR'nin "temel" yapısal birimini (Şekil 2) oluşturur ve kümeler / iç Kuvvetin kristal büyüme sürecinde önemli bir rol oynadığı görüşü, güçlü kanıtlar sağlar ve ayrıca metal nanokümelerin / nanokristallerin müteakip zor tek kristal büyümesi için bir referans ve referans sağlar.
Ek olarak, araştırmacılar ayrıca değişken sıcaklıkta tek kristal X ışını kırınımı yoluyla Au144 (SR) 60 kümesindeki farklı uzunluklardaki altın-altın bağlarının farklı sıcaklık değişken esnekliğine sahip olduğunu buldular.Bunların arasında, bağ uzunluğu 2.88 angstrom olan altın-altın bağı (ve Dökme altın benzer bağ uzunluklarına sahiptir.Altın-altın bağlarının diğer bağ uzunlukları ile karşılaştırıldığında daha iyi termal sünekliğe sahiptir (Şekil 4) Kimyasal bağlar açısından, metallerin neden diğer yaygın katılardan daha iyi ısıl sünekliğe sahip olduğunu açıklar. .
Özetle bu çalışma şu önemli anlamlara sahiptir: Birincisi, uzun süredir bilim camiasını rahatsız eden zorlu bir sorunu çözen Au144 (SR) 60'ın yapısını çözer; ikincisi, kümeler arası / kümeler arası zayıf etkileşimi ortaya çıkarır. Kümeler, tekli kristallerin büyümesinde önemli bir rol oynar ve sonraki zorlu tek kristal büyümesi için bir referans sağlar; üçüncüsü, metallerin diğer yaygın katılardan daha iyi termal sünekliği için mikroskobik bir açıklama sağlamaktır; dördüncüsü, Au144'ün yapısını anlamaktır. Performansla ilişki, temel koşulları sağlar.
Au144 (SR) 60'ın yapısının başarılı analizi aşağıdaki nedenlere bağlanabilir: "kinetik kontrol ve termodinamik seçim" stratejisi (J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 9670), sonraki sentez deneyimlerinin birikimi, Au144 (SR) 60'ın yüksek kaliteli sentezini kolaylaştırdı; "hazırlayıcı ince tabaka kromatografisi" ayırma teknolojisinin (Nat. Commun., 2015, 6, 9667, vb.) Tanıtılması, Au144 (SR) 60'ın verimli ve ucuz saflaştırılmasını sağlar. Araçlar: Son yıllarda, araştırma grubu küme yapısı araştırmasında bir dizi çalışma yürüttü (Nat. Commun., 2017, 8, 14739, vb.) Ve tek kristallerin büyüme yasası ve tek kristal büyümesinde birikmiş deneyim hakkında yeni bir anlayış kazandı. Son olarak, Yan Nan yüksek kaliteli bir tek kristal elde etti ve başarıyla analiz etti ve ilgili sonuçlar "Science Advances, 2018, 4, eaat7259) 'da yayınlandı.
Yukarıda bahsedilen araştırma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Çin Bilimler Akademisi Hefei Araştırma Enstitüsü'nün 13. Beş Yıllık Planı ve Katı Hal Enstitüsü Direktör Fonu tarafından güçlü bir şekilde desteklenmiştir. Bu çalışmada, toz sıcaklığı XRD testi, Hefei Araştırma Enstitüsü Güçlü Manyetik Alan Bilim Merkezi'nde araştırmacı olan Zhang Lei tarafından tamamlandı.
Şekil 1. Au144 (SR) 60 nanometrelik kümelerin genel yapısı (sarı: altın atomları; yeşil: sülfür atomları; gri: karbon atomları; beyaz: hidrojen atomları).
Şekil 2. Au144 (SR) 60 nanometre kümelerinin yapı analizi: (A) Au12 çekirdek (açık mavi), (B) Au42 orta katman (pembe), (C) Au60 dış katman (turuncu), (D) en çok Dış katmandaki 30 S-Au-S, "zımba tellerini" (sarı: altın atomları; yeşil: kükürt atomları), (E) üç katmanlı Au114 çekirdeğin anatomik yapısını, (F) yüzeyde tek bir S-Au-S'yi "oluşturur. Zımba "düzenlemesi.
Şekil 3. Kümeler içinde / arasında zayıf etkileşim kuvveti: Solda, farklı kiral konfigürasyonlara sahip Au144 (SR) 60 nanometrelik kümelerin düzenini gösterir (farklı kiral konfigürasyonlara sahip altın atomları sırasıyla mor ve sarı ile işaretlenmiştir) ); şeklin sağ üst kısmı küme içindeki zayıf etkileşim kuvvetini gösterir (yeşil: kükürt atomu; gri: karbon atomu; beyaz: hidrojen atomu); şeklin sağ alt kısmı kümeler arasındaki zayıf etkileşim kuvvetini gösterir (yeşil: kükürt atomu; mor kırmızı Sarıdan farklı olarak: farklı kiral konfigürasyonlara sahip karbon atomları; beyaz: hidrojen atomları); kırmızı kesikli çizgi CH ... kuvvetidir; mavi kesikli çizgi H ... H kuvvetidir.
Şekil 4. Farklı sıcaklıklarda elde edilen Au144 (SR) 60 nanometre küme yapısındaki altın-altın bağ uzunluğu değişikliklerinin istatistikleri.
