Исследователи разработали технику синтеза водорастворимых сплавных нанокластеров

Ультрамалые металлические нанокластеры открывают возможности в биоимиджинге, биосенсорике и биотехнологиях благодаря своим уникальным молекулоподобным свойствам.

В исследовании, опубликованном в журнале Polyoxometalates, команда из Университета науки и технологий Циндао предложила метод синтеза атомарно точных, водорастворимых сплавных нанокластеров.

Новизна исследования заключается в новой стратегии синтеза водорастворимых сплавных нанокластеров и в дальнейшем вкладе в фундаментальное понимание механизма легирования металлических нанокластеров, — заявил автор работы Сюнь Юань. Конечная цель — разработать такие сплавные нанокластеры в качестве нового нанолекарства.

Нанокластеры состоят всего из нескольких десятков атомов, а размер их ядра обычно меньше 2 нанометров (нм). Из-за сверхмалого размера, близкого к длине волны Ферми электронов, непрерывная энергетическая зона становится дискретной, что придает кластерам молекулоподобные свойства с дискретными энергетическими уровнями. Это наделяет нанокластеры уникальными оптическими и электронными характеристиками.

Сплавные нанокластеры, синтезированные путем внедрения двух или более различных металлов в каркас монометаллического нанокластера, могут создавать новые геометрические структуры и дополнительные функции. Исследователи могут «настраивать» физические и химические свойства (например, оптические, каталитические и магнитные) металлических нанокластеров. Более того, сплавные нанокластеры часто демонстрируют синергетические или совершенно новые свойства, превосходящие свойства монометаллических кластеров.

Однако, хотя корреляция между размером, морфологией, составом сплавных нанокластеров и их физико-химическими свойствами хорошо изучена, вопросы, связанные с процессами легирования и динамическими изменениями, остаются мало понятными. Эти нерешенные проблемы в основном связаны с техническими ограничениями в характеристике распределения атомов сплава на атомарном уровне, особенно при отслеживании в реальном времени динамического движения гетероатомов в сплавных наночастицах во время реакций, — пояснил Юань.

Кроме того, большинство существующих методов разработаны для гидрофобных сплавных нанокластеров, что затрудняет синтез водорастворимых аналогов. Учитывая широкое применение водорастворимых сплавных нанокластеров в биомедицине и защите окружающей среды, разработка новых стратегий их синтеза на атомарном уровне крайне важна.

С этой целью Юань и его коллеги обнаружили, что зародышеобразование ионов серебра (Ag) может запустить превращение нанокластеров на основе золота (Au) в сплавные нанокластеры Au_18-xAg_x(GSH)₁₄, которые затем можно преобразовать в нанокластеры с фиксированным составом Au₂₆Ag(GSH)₁₇Cl₂ с помощью ионов золота (Au) (где GSH обозначает водорастворимый глутатион). Более того, положение единственного атома Ag в нанокластерах Au₂₆Ag(GSH)₁₇Cl₂ удалось идентифицировать на поверхности.

Наши результаты позволяют достичь модуляции металлических наночастиц на атомарном уровне и предоставляют платформу для создания сплавных функциональных наноматериалов для конкретных применений, — сказал Юань. Кроме того, полученное понимание механизма легирования может углубить знание о взаимосвязи структура-свойства сплавных наноматериалов, способствуя генерации новых знаний в областях наноматериалов, химии и науки о нанокластерах.

В будущих исследованиях команда планирует применять эти сплавные нанокластеры для биомедицинских задач.