Британские ученые синтезировали двумерные наноструктуры золота толщиной в два атома (0,47 нанометра) в растворе без подложки. Синтез удался благодаря наличию в реакционной смеси метилоранжа, обеспечившего плоскую поверхность, вдоль которой росли частицы. Изучив механизм роста нанолистов, химики продемонстрировали их способность катализировать органические реакции восстановления и заменять пероксидазу в биохимических реакциях. Исследование опубликовано в журнале Advanced Science.

Двумерные наноматериалы толщиной в несколько атомов (например, графен) представляют для науки большой интерес из-за своих уникальных электрических, механических и поверхностных свойств, которые обеспечиваются высоким значением соотношения площади поверхности к объему структур. Свойства двумерных наноматериалов позволяют использовать их в медицине, сенсорных устройствах, а также в качестве катализаторов множества органических реакций. Особенно высокую каталитическую активность проявляют тонкие двумерные наноматериалы из благородных металлов: это обеспечивается площадью поверхности, на которой происходит реакция.

Одна из проблем создания двумерных металлических наноструктур — стремление вещества к снижению энергии межмолекулярного взаимодействия частиц поверхности с другой фазой: частицы пытаются собраться в изотропный трехмерный кристалл, чтобы количество нескомпенсированных взаимодействий и, соответственно, площадь поверхности были минимальными. Поэтому для образования наноразмерного листа его атомы необходимо к чему-нибудь прикрепить.

На сегодняшний день наиболее часто используют два способа решения этой проблемы: выращивание двумерных структур металлов на подложках (таких как ламеллярные гидрогели, а также графен и его производные) или снижение поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ вроде различных полимеров или газов.

Группа ученых под руководством Стивена Эванса (Stephen Evans) из Университета Лидса впервые синтезировала хлопья золотых нанолистов в водном растворе без подложки. Нановодоросли (так они назвали новую структуру за ее морфологию, цвет и рост в воде) получили по реакции восстановления тетрахлороаурата(III) водорода (HAuCl4) цитратом натрия в водном растворе метилоранжа. Через двенадцать часов выдерживания при температуре 20 градусов Цельсия серый раствор центрифугировали и промыли продукт реакции деионизованной водой.

Зелено-синий раствор золотых нановодорослей оставался стабильным более 15 месяцев и, согласно результатам ИК-спектроскопии, не содержал изотропных частиц.
По изображениям, полученным с помощью атомно-силового микроскопа, авторы определили, что толщина частиц составляет около 0,48 нанометра, а исследования кристаллической структуры подтвердили, что плоский кристалл состоит всего из двух слоев атомов золота.

Чтобы изучить механизм образования нановодорослей, авторы провели реакцию в водной среде, но без метилоранжа: в результате они получили трехмерные частицы размером около 50 нанометров. Наличие метилоранжа в смеси, поэтому, оказалось критическим для формирования плоских хлопьев. За счет жесткой ароматической структуры, гидрофобной части и гидрофильных боковых заместителей, молекулы этого органического вещества были способны выстраиваться в плоскости, вдоль которых и «росли» золотые нановодоросли. Сильное взаимодействие метилоранжа с атомами золота не позволяло расти кристаллу вверх, аналогично тому, как монооксид углерода не дает вырасти в толщину нанолистам палладия или родия.

Сравнение каталитической активности нановодорослей (AuNSWs) и наночастиц (AuNPs). Концентрация исходного реагента уменьшалась в 10 раз быстрее в системе с двумерными катализаторами.

Сравнивая скорости реакции восстановления 4-нитрофенола боргидридом натрия в присутствии нановодорослей и наночастиц золота, полученных без применения метилоранжа, авторы зафиксировали, что новые частицы с большей площадью поверхности обладают каталитической активностью в 10 раз выше. Более того, катализатор сохранял 90 процентов своей активности даже после шести использований и успешно проявил себя в биохимических реакциях как замена пероксидазы.
По словам авторов, получившиеся золотые нановодоросли пригодятся не только в катализе, но и в медицине и создании сенсорных материалов. По предложенной методике также, возможно, получится синтезировать и частицы из других металлов с уникальными свойствами.

Больше о катализаторах и их будущем можно прочитать в нашем интервью с профессором Кардиффского университета Грэмом Хатчингсом (Graham J. Hutchings) — одного из основоположников изучения гетерогенного катализа на основе золота.