Химики из Национального Университета Сингапура разработали метод получения высокосимметричных золотых наночастиц, имеющих форму звездчатых многогранников. Авторам удалось добиться точного контроля формы шипов образующихся наночастиц. Работа опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society.

Изображение золотых нанозвездочек, полученное с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии. Изображение: Wenxin Niu et al. / JACS, 2015

В качестве основы для золотых наночастиц авторы использовали икосаэдрические зародыши, получаемые с помощью ранее известного метода. К раствору зародышей добавляли раствор диметиламина и полимера, стабилизирующего частицы от слипания, а затем золотохлористоводородную кислоту (HAuCl4). В результате реакции из икосаэдрических частиц образовывались звездчатые многогранники правильной формы — каждый из них обладал 20 шипами. Авторы обратили внимание, что ключевую роль в форме частиц играл диметиламин — в случае его отсутствия частицы получались неправильной формы, а с повышением концентрации заострялись шипы нанозвездочек.

Процесс роста нанозвездочки. Изображение: Wenxin Niu et al. / JACS, 2015

Химики связывают наблюдаемый процесс с сильной избирательной адсорбцией («прилипанием») диметиламина к граням новообразующихся звездочек. Поскольку речь идет о наночастицах, то расположение атомов на поверхности во многом связано с ее углом по отношению к осям кристаллической решетки золота. В кристаллографии расположение плоскостей определяют с помощью троек цифр — (h, k, l) — индексов Миллера. В кубических решетках (у золота она гранецентрированная кубическая) они совпадают с направлением векторов перпендикуляров к данным плоскостям. Например, (100) — вертикальная плоскость, (110) — диагональ куба, параллельная одной из осей решетки, (111) — объемная диагональ куба.

Внешний вид нанозвездочек, получаемых с различными аминами: слева-направо метиламин, этиламин, октиламин. Изображение: Wenxin Niu et al. / JACS, 2015

Оказалось, что диметиламин наиболее прочно связывается с плоскостями семейства (321), тем самым задавая определенную форму шипов. Упрощенно это можно объяснить так — изначально нарастающий равномерно объем золота оказывается ограничен налипающими на него молекулами аминов, в результате на гранях исходного икосаэдра нарастают ограниченные в объеме шипы. Авторы смогли подтвердить взаимосвязь строения аминов и формы нанозвездочек и заменой используемого диметиламина. Например, при использовании метиламина вместо диметиламина шипы нанозвезд были сформированы плоскостями (753), а при переходе к октиламину — (742). Это меняет форму наблюдаемых звездчатых многогранников.

Изменение формы многогранников в зависимости от плоскостей, формирующих шипы. (а) {321}, (b) {421}, © {431}, (d) {432}, (e), {531}, (f) {532}, (g) {541}, (h) {542}, (i) {543}, (j) {643}, (k) {631}, (l) {742}, (m) {753}, (n) {765}, (o) {761}, (p) {721}.Изображение: Wenxin Niu et al. / JACS, 2015

Синтез наночастиц точно заданной формы — важная задача для различных применений в нанофотонике. Такие частицы могут открыть путь к исследованию свойств плазмонов в объектах сложной формы. Это, в свою очередь, дает возможность создания различных наносенсоров, оптические свойства которых будут указывать на какие-либо изменения окружающей среды.