Kiraalisen kultananopartikkelin rakenne on ratkaistu

27.05.2010

Jyväskylän yliopiston Kemian laitoksen ja Nanotiedekeskuksen tutkijat Olga Lopez- Acevedo ja Hannu Häkkinen ovat selvittäneet yhden nanometrin kokoisen, orgaanisilla molekyyleillä suojatun kultapartikkelin atomirakenteen ja sen elektroniset ja optiset ominaisuudet. Rakenne voitiin määrittää vertaamalla laskennallisia tuloksia ja kokeellista, pulverinäytteestä mitattua röntgensirontaspektriä. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Kansasin osavaltion yliopiston ja Hokkaidon yliopiston tutkijaryhmien kanssa. Tutkimusta tukevat Suomessa Suomen Akatemia ja Tieteen tietotekniikan keskus CSC.

Orgaanisilla tiolaattimolekyyleillä päällystettyjä 1 – 3 nanometrin kokoisia kultapartikkeleita on osattu valmistaa 1990-luvun puolivälistä lähtien, mutta partikkelien yksityiskohtaiset atomirakenteet pysyivät hämärän peitossa vuoteen 2007 asti, jolloin ensimmäisen, 102 kulta-atomia sisältävän partikkelin rakenne saatiin selville röntgendiffraktion avulla yksittäiskiteestä Stanfordin yliopistossa. Nyt ratkaistussa rakenteessa on 38 kulta-atomia ja 24 tiolaattimolekyyliä. Partikkeli on muodoltaan pitkulainen, ja 15 sen 38:sta kulta-atomista muodostavat yhdessä tiolaattien kanssa partikkelin pintaa suojaavan kerroksen. Kultatiolaattikerros on järjestäytynyt kiraaliseen eli kierteiseen rakenteeseen, ja partikkelilla on näin ollen kaksi kiraalista rakenneisomeeria partikkelin pituusakselin suhteen. Rakenne muistuttaa jossain mielessä kierteistä DNA-molekyylin rakennetta tai vaikkapa kierreportaita kerrostalossa. 

Kuva: Vasemmalla tiolattimolekyyleillä päällystetyn kultaklusterin teoreettinen atomirakenne. Oikealla  teorettisen rakenteen röntgensirontaspektrin (punainen käyrä) ja mitatun datan (musta) vertailua. Laskennallinen ja kokeellinen data vastaavat täysin toisiaan, mikä vahvistaa teoreettisen rakenteen. Rakennekuvassa hiukkasen ytimessä olevat 23 kulta-atomia on kuvassa merkitty isoilla keltaisilla palloilla. 15 kulta-atomia, jotka ovat kovalenttisesti sitoutuneita tiolaattiin, ovat pieniä keltaisia palloja. Pienet oranssit pallot ovat rikkiä ja tikut ovat hiilivetyketjuja.

Kiraalisuus on luonnossa yleisesti esiintyvä molekyylien rakenteeseen liittyvä ominaisuus. Esimerkiksi useat biomolekyylit ovat kierteisiä joko oikean- tai vasemman- kätisesti. Nyt tutkitussa partikkelissa kierteisyys saa aikaan sen, että partikkelin elektronirakenteen viritykset riippuvat virittävän valon polaarisuuden kiertosuunnasta. Tämän niin sanotun kiroptisen herkkyyden havaitsi ensimmäisenä professori Robert L. Whettenin tutkimusryhmä Georgia Institute of Technologyssä Atlantassa 10 vuotta sitten.

“Silloin havaitsimme, että erityisesti 38 atomin kultapartikkelilla on erittäin voimakas kiroptinen absorptio, ja nyt ratkaistu rakenne selittää vihdoin havaintomme”, kommentoi Whetten tutkimusta. Kiraalisia kultananopartikkeleita voidaan ehkä käyttää tulevaisuudessa bioyhteensopivina sensoreina sekä lääkeaineiden kuljetusalustoina tai katalyytteinä.

Professori Hannu Häkkisen ryhmä on maailmanlaajuisesti johtavassa asemassa tiolaateilla suojattujen kultananopartikkelien rakenteen ja ominaisuuksien laskennallisessa tutkimuksessa. Ryhmä on tehnyt viimeisten vuosien aikana yhteistyötä Stanfordin yliopiston, Georgian Teknillisen Instituutin, Kansasin osavaltion yliopiston, Pohjois-Carolinan yliopiston, Chalmersin Teknillisen Yliopiston ja Hokkaidon yliopiston kanssa.

Lisätietoja

Lisätietoja antaa professori Hannu Häkkinen,
sp. hannu.j.hakkinen at jyu.fi,  p. 014 260 4719.

Tulokset julkaistiin 25.5.2010 amerikkalaisessa kemian alan lehdessä Journal of the American Chemical Society.
“Chirality and electronic structure of the thiolate-protected Au38 nanocluster”, O. Lopez-Acevedo, H. Tsunoyama, T. Tsukuda, H. Häkkinen, C.M. Aikens, JACS ASAP article May 25, 2010.

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.