Professor emeritus Jens Ulstrup og DTU Kemis NanoKemi-gruppe har sammen med forskere fra Australien beskrevet et nyt forskningsfelt, hvor de såkaldt svage kemiske kræfter afslører ny og overraskende styrke. Resultaterne har bred betydning inden for overfladefysik og -kemi, nanopartikler og anden nanoteknologi.
Gennem mere end 200 år har kemien fokuseret på stærke kemiske kræfter, der knytter atomerne sammen. Fx på de kovalente kræfter mellem ilt- og brintatomerne i vand eller ionbindingen mellem natrium og chlor i natriumchlorid. For snart hundrede år siden blev det opdaget, at også meget svagere kræfter optræder i mange sammenhænge, fra vanddamps omdannelse til vand til de store biologiske molekyler proteiner og DNA i det mest komplekse nanomaskineri, vi overhovedet kender.
Forskellen mellem kovalente eller ionbindinger og svage bindingskræfter, også kaldet van der Waals kræfter er, at atomerne i stærke kemiske bindinger har ofret deres egenskaber ”til fælles bedste”. I de svage van der Waals kræfter bevarer de bundne atomgrupper deres individualitet men påvirker hinanden ved svagere kræfter af kvantemekanisk natur, et fænomen kaldet dispersion.
Et forskerhold fra University of Technology of Sydney (professorerne J.R. Reimers og M.J. Ford), University of Sydney (professor N.S. Hush), den australske højteknologivirksomhed Advanced Molecular Technologies (dr. S. Marcuccio) og DTU Kemis NanoKemigruppe (professor emeritus Jens Ulstrup) har beskrevet et nyt forskningsfelt, hvor de svage kræfter er påvist at være langt mere kritiske, selv i nanoteknologien end hidtil antaget. Arbejdet er netop publiceret i det højt profilerede tidsskrift Nature Reviews Chemistry.
Når mange atomer samarbejder
Nanoteknologi involverer oftest forskellige sammenbundne atomtyper og anvendes i medicinsk terapi, overfladebelægninger, elektronik, solcremer mm. Det nye arbejde har fokus på kemisk binding mellem plane guldoverflader eller små (1-100 nm) guldpartikler og svovlholdige molekyler (thioler). Guldnanopartikler er nanoteknologiske primærkomponenter. De fremstilles ved kemisk syntese og stabiliseres af thiolerne, lidt lige som når te bevarer varme og smag, når tepotten dækkes af en tehætte.
Opfattelsen har gennem årtier været, at guld og svovl bindes ved en traditionel kemisk binding i, hvad der er kendt som en Au(I)-thiolatbinding, hvor et guldatom har overført en elektron til svovlatomet, S, som bliver til -S(-I). Guldoverflader og guldnanopartikler har helt andre egenskaber domineret af stærke van der Waals kræfter, kaldet den aurofile effekt.
Den nye australsk-danske forskning er baseret på omfattende teoretiske beregninger og analyse af mange sofistikerede data og viser, at guld-svovlbindingen her ikke er Au(I)-S(-I), men A(0)-S(0), S(0) kaldet et thiyl radikal. Binding mellem Au(I) og S(-1) er overtaget af de allestedsnærværende dispersionskræfter mellem Au(0) og S(0), der bliver konkurrencedygtige, når mange atomer samarbejder.
Den nye opfattelse kan forklare mange egenskaber ved metaloverfladers fysik, herunder de komplekse mekanismer, når guldnanopartikler dannes. Arbejdet kan også forklare nye (2016) data for den kemiske binding af jernatomet i jernholdige enzymer. Vigtigst er den nye forståelse af selve Au-S bindingens natur, der vil føre til guld- og anden metalnanoteknologi, man tidligere næppe kunne forestille sig.
Læs artiklen “Competition of van der Waals and chemical forces on gold–sulfur surfaces and nanoparticles” fra Nature Reviews Chemistry.