Structuur intrigerende gouden nanodeeltjes ontrafeld

1 augustus 2008
Een klein aantal goudatomen kan een fascinerend bouwwerk vormen, zo ontdekten wetenschappers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein met Duitse en Canadese collega's. Twintig goudatomen blijken een tetraëder te vormen, een driehoekige piramide. Een cluster van negentien atomen ziet er uit als een piramide zonder top. De onderzoekers identificeerden de structuren met de vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut Rijnhuizen. Deze gedetailleerde informatie over de structuur is interessant omdat het kan helpen de onverwachte katalytische activiteit van de nanoclusters te begrijpen. De wetenschappers publiceren hun resultaten op 1 augustus 2008 in Science.

 

 

Structuur van gouden nanodeeltjes
Goud-7 is een driehoek bestaande uit zes atomen met een extra atoom toegevoegd. Een nanocluster bestaande uit twintig goudatomen is een driehoekige piramide met vier gelijke hoeken en zijden, ook wel tetraëder genoemd. Als we van één van de hoeken één atoom verwijderen ontstaat de structuur van een cluster van negentien goudatomen. Deze structuur is minder symmetrisch, wat leidt tot een complexer vibratiespectrum.

 

Goud staat bekend als edelmetaal. Dat betekent dat het inert is ofwel weinig reactiviteit bezit. Deze eigenschappen maken het bijvoorbeeld zeer geschikt als materiaal voor sieraden en munten, maar juist vanwege de geringe reactiviteit hadden chemici tot voor kort weinig interesse in dit materiaal. Enkele jaren geleden echter ontdekten wetenschappers dat zeer kleine deeltjes goud belangrijke chemische reacties kunnen versnellen, ofwel katalyseren. Een voorbeeld van zo'n reactie is de oxidatie van waterstof en koolmonoxide. Men vermoedt dat de structuren die de geclusterde atomen vormen deze onverwachte katalytische activiteit veroorzaken. Omdat deze clusters kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht is het niet mogelijk om ze onder een optische microscoop te bekijken.

 

Een team van wetenschappers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein, het Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlijn en het Steacie Institute for Molecular Sciences in Ottawa, Canada, is er nu in geslaagd om de structuren van nanoclusters van goud te identificeren. Ze keken hiervoor naar de interactie van de clusters met intens infrarood laserlicht, afkomstig van de vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut voor Plasmafysica in Nieuwegein.

 

De wetenschappers produceerden de nanoclusters door goud te verdampen, waarna een gasbundel helium ze meevoerde en koelde. De bundel geproduceerde gouddeeltjes bestaat uit clusters van drie tot twintig atomen. Vervolgens stelden de onderzoekers de clusters bloot aan infrarood licht van verschillende frequenties en keken ze hoe de clusters hierop reageerden. De chemische binding tussen atomen in clusters kunnen we vergelijken met een veer. Als de frequentie van het infrarode laserlicht gelijk is aan de frequentie waarop deze veer trilt dan versterkt het licht deze trilling. In het erg intense licht van FELIX, kan de veer zo heftig gaan trillen dat het deeltje uit elkaar valt. Met behulp van de massaspectrometer kunnen wetenschappers dit uiteenvallen registreren en daarmee het vibratiespectrum bepalen.

 

Door de spectra te vergelijken met spectra die de theorie van de kwantumchemie voorspelt, konden ze de structuren achterhalen. Zo is er een sterke relatie tussen de complexiteit van het spectrum en de symmetrie van een cluster. Hoe meer symmetrisch een cluster is, hoe simpeler het spectrum. Een cluster van precies twintig atomen geeft een spectrum met één intense piek. Dit spectrum is de vingerafdruk van een structuur met een hoge symmetrie: een driehoekige piramide ofwel tetraëder met vier gelijke hoeken en zijden. Een cluster bestaande uit negentien atomen geeft een complexer spectrum, wat wijst op minder symmetrie. Uit het vibratiespectrum lazen de wetenschappers af dat negentien atomen ook een piramide vormen maar dat een van de hoeken een atoom mist. Een cluster met zeven goudatomen heeft een nog complexer spectrum, wat overeenkomt met de berekende, tweedimensionale, asymmetrische structuur.
Dit onderzoek opent een nieuwe weg om een hele serie van nanoclusters van goud en andere metalen op moleculair niveau te onderzoeken. Als de structuur van de clusters eenmaal in beeld gebracht is, dan kan men vergelijkbare technieken toepassen om de katalytische reacties op de nanodeeltjes te volgen. Uiteindelijk doel is een beter inzicht te verkrijgen in en het verbeteren van de katalytische eigenschappen van nanodeeltjes.

 

 

Vibratiespectra van clusters
Links het gemeten (A) en het berekende (B) vibratiespectrum van een cluster van twintig goudatomen. De goudatomen vormen een zeer symmetrische structuur: een driehoekige piramide ofwel tetraëder met vier gelijke hoeken en zijden. Door de hoge graad van symmetrie is het spectrum is simpel: het toont één intense piek.
Rechts het gemeten (C) en het berekende (D) vibratiespectrum van een cluster van negentien goudatomen. Dit cluster is minder symmetrisch. Het vormt ook een piramide maar één van de hoeken mist een atoom. Het spectrum is dan ook complexer en toont twee pieken.
De spectra laten zien dat praktijk en theorie goed overeenkomen. Kr staat voor krypton. Dit molecuul dient als 'verklikker' in de opstelling. Het beïnvloedt de structuur niet.

 

Referentie
Philipp Gruene, David M. Rayner, Britta Redlich, Alexander F. G. van der Meer, Jonathan T. Lyon, Gerard Meijer, André Fielicke, 'Structures of Neutral Au7, Au19, and Au20 Clusters in the Gas Phase', Science.

 

 

 
Animatie
De animatie toont een vibrerend cluster van twintig goudatomen

 

Abstract in Science Magazine
www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5889/674