منحوتات نانو من الذهب

طريقة جديدة توضح هيكل جسيمات الذهب غير المشحونة

الجيزة في عالم النانو: وضعت جزيئات الذهب على الرمال الصحراوية الافتراضية. تشكل المجموعة المكونة من سبع ذرات مثلثًا متساوي الأضلاع ، تتدلى منه الذرة كركن إضافي. 20 ذرة تتراكم في هرم ذو قاعدة ثلاثية. مع ذرة واحدة أقل ، يفقد الهرم وجهة نظره. © معهد فريتز هابر لجمعية ماكس بلانك
قراءة بصوت عال

إذا تم تحميلك ، يمكنك تغيير لون وجهك ، لكنك لا ترغب في تمزيق ذراع واحد لتجميعه كالساق الثالثة. ومع ذلك ، هذا يختلف مع مجموعات من سبع ذرات ذهبية. هذه ترتيب أنفسهم في حالة تحميلها بشكل مختلف عن في unladen ، كما يقول العلماء الآن في "العلوم".

بطيئًا ومكلفًا كيميائيًا: قلصت هذه الخصائص الحماس الذي شعر به الكيميائيون للذهب - على الأقل منذ انقضاء أيام الكيمياء. لكن الاهتمام قد تم إحياؤه منذ عدة سنوات حتى الآن. للجزيئات النانوية من المعدن الثمين قد تكون مناسبة كعوامل محفزة لتفاعلات مهمة في الصناعة الكيميائية. جزيئات الذهب الصغيرة من الصعب إرضاءه في ردود الفعل التي تدعمها.

ما إذا كانت الجسيمات النانوية الذهبية يمكن أن تفضل ردود فعل معينة يعتمد بشدة على هيكلها. طور الباحثون بمعهد فريتز هابر التابع لجمعية ماكس بلانك ومعهد ستيسي للعلوم الجزيئية في كندا والليزر الإلكترون الحر الهولندي FELIX في معهد FOM Rijnhuizen ، طريقة تأخذ شكل الذهب المحايد لتحديد مجموعات. لقد عرف الكيميائيون لبعض الوقت كيف تبدو بعض هذه المجموعات عند تحميلها بعشرات الذرات. كما المحفزات ولكن خصوصا الجزيئات غير المشحونة سيكون من المثير للاهتمام. وأحيانًا تتخذ شكلًا مختلفًا تمامًا عن المجموعات المشحونة ذات العدد نفسه من الذرات.

من الهرم إلى مسدس

قام الباحثون في برلين برئاسة أندريه فيليكي بدراسة مجموعات من 7 و 19 و 20 ذرة. بالنسبة للجسيمات غير المشحونة من 19 و 20 ذرة ، لاحظوا نفس الهياكل المعروفة من نظرائهم سالبة الشحنة: 20 ذرة ذهبية تتكدس إلى رباعي السطوح ، وهو هرم ذو قاعدة ثلاثية. ذرة واحدة تكلف أقل الهرم الأعلى. "تشكل ذرات الذهب السبعة مثلثًا مع زاوية إضافية في الحالة غير المشحونة" ، كما أوضح فيليك.

في كتلة ذات شحنة موجبة ببساطة ، تشكل سبع ذرات مسدسًا مع ذرة في مركزها. في شكل غير مشحون ، توجد ثلاث ذرات ذهبية على كل حافة مثلث. عند حافة واحدة ، يتم سد ذرتين من جانب آخر ، مما يخلق زاوية إضافية. يقول فيليك: "من المحتمل أن هذا الهيكل يفضل ذرات الذهب في صورة غير مشحونة ، لأن الإلكترونات يمكنها الخروج منه على نحو أفضل". عرض

من أجل المسح الهيكلي للجسيمات النانوية غير المشحونة ، اضطر علماء برلين إلى معالجة عدد من المشكلات: "إن المجموعات غير مستقرة إلى حد ما ، لا يمكنك شراءها فقط كمساحيق ،" يوضح فيليب جروين ، الذي لديه عدد كبير جزء من العمل التجريبي تم. لذلك يتعين على العلماء إنتاج مجموعات الذهب في نفس الجهاز الذي يحددون فيه أيضًا شكل الجزيئات. لهذا الغرض ، فإنها تبخر كميات صغيرة من المعدن الثمين مع شعاع الليزر من قضيب الذهب. بهذه الطريقة ، يتم تشكيل مجموعات ذهبية من مختلف الأحجام والأشكال.

الجمع بين الأسلوب يجلب النجاح

عادة ، يفصل الكيميائيون مزيج الجسيمات هذا في مطياف الكتلة. يقوم هذا الجهاز في البداية بتأين الجزيئات ، لذلك يذوبها كهربائيًا. ثم يفصلها في مجال كهربائي وفقًا لكتلتها ، نظرًا لأن الحقل يسرع جزيئات الضوء بشكل أسرع من الثقيل - إذا كان كلاهما يحمل نفس الشحنة. في حالة توفر كمية أكبر من نوع الجسيمات ، يمكن أيضًا تحديد بنيتها في مطياف الأشعة تحت الحمراء.

نظرًا لأن علماء برلين يرغبون في النظر إلى هياكل الجسيمات غير المشحونة ولا يمكنهم إنتاج سوى عدد قليل جدًا من الجزيئات ، فهذا الإجراء مستبعد. ومع ذلك ، فإن علماء برلين يستخدمون الطريقتين ، فهم يجمعونهم فقط بطريقة معقدة. قبل أن يفصلوا فوضى الجسيمات ، يطلقون النار باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء شديد الكثافة ذي طول موجي معين على المزيج ويفصلوا الكتل بطريقة غير مسعورة إلى حد ما. تهتز الجزيئات لدرجة أنها تنفجر.

بعد الاختيار باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء ، يرسل الباحثون خليط الجسيمات المتبقية من خلال مطياف الكتلة. الجسيمات ، التي كانت متحمسة ودمرت من قبل طول موجة معينة من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، بالكاد تترك أي آثار في الطيف الكتلي. حقيقة أن هناك شيئًا ما مفقودًا في مرحلة معينة من الطيف الكتلي ، يخلص الباحثون إلى تجربة مقارنة: فهم يفصلون أيضًا مزيجًا من مجموعات الذهب في مقياس الطيف الكتلي ، الذي لم يتعرضوا له في السابق للمعاملة الخاصة باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء المكثف.

القصف بالليزر على العديد من الأطوال الموجية

إن إجراء مثل هذه التجربة باستخدام حزمة ليزر ذات طول موجي واحد لا يفعل الكثير. يكشف طيف التذبذب الكامل فقط عن شكل جسيم. "لذلك يتعين علينا تكرار التجربة عند حوالي 200 طول موجي مختلف من أشعة الليزر تحت الحمراء" ، يشرح Fielicke. وهذا يخلق المشكلة التالية للعلماء: لا يتم توفير ضوء الليزر ، الذي يكون مكثفًا بدرجة كافية على جزء كبير من الطيف لتسبب انفجار المجموعات ، إلا عن طريق ليزر حر الإلكترون.

لذلك ، أوضح الباحثون في برلين هيكل الكتلة الذهبية على ليزر الإلكترون الحر للتجارب بالأشعة تحت الحمراء ، فيليكس باختصار ، في الهولنديين نيويغين. من قياسات الطيف الكتلي بأطوال موجية مختلفة من ليزر الأشعة تحت الحمراء ، يقومون بعد ذلك بإعادة بناء طيف التذبذب لبعض المجموعات ويمكنهم بعد ذلك قراءة بنيتهم.

من بين أمور أخرى ، يستخدم علماء برلين تحقيقاتهم لمساعدتهم في العثور على محفز للإبوكسي - وهو رد فعل مهم تقنيًا يربط فيه الكيميائيون جزيئات الهيدروكربون بذروة الأكسجين. هذه غالباً ما تكون الخطوة الأولى لجزيئات أكثر تعقيدًا. سواء كان المنتج المطلوب في النهاية يعتمد على مكان توصيل ذرة الأكسجين بالهيدروكربون. وهذا هو بالضبط المكان الذي يمكن أن تعمل فيه مجموعات الذهب كطيارين.

(MPG ، 04.08.2008 - NPO)