Введение

Золотые кластеры в кластерной химии могут быть как дискретными молекулами, так и более крупными коллоидными частицами. Оба типа описываются как наночастицы с диаметром менее одного микрометра. Нанокластер – это совокупность, состоящая из определенного числа атомов или молекул, связанных между собой каким-либо механизмом взаимодействия. Нанокластеры золота обладают потенциальными применениями в оптоэлектронике и катализе.

Голые золотые кластеры

Голые золотые кластеры, то есть кластеры без стабилизирующих лигандных оболочек, могут быть синтезированы и исследованы в вакууме с использованием методов молекулярных пучков. Их структуры были экспериментально изучены, например, с помощью анионной фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии дальнего инфракрасного диапазона, а также измерений подвижности ионов и дифракции электронов в сочетании с квантово-химическими расчетами. Структуры таких кластеров существенно отличаются от структур, стабилизированных лигандами, что указывает на определяющее влияние химического окружения на структуру кластера. Ярким примером является Au20, который формирует идеальный тетраэдр, в котором упаковка атомов Au близка к атомному расположению в объемной структуре гранецентрированной кубической решетки металлического золота. Эти кластеры диаметром 550 пикометров генерируются лазерной абляцией и характеризуются фотоэлектронной спектроскопией.

Структура лигандостабилизированных кластеров Au

Массивное золото имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру. При уменьшении размера частиц золота ГЦК-структура золота трансформируется в икосаэдрическую структуру с центром, что иллюстрируется кластером |Au13.

Дискретные золотые кластеры

Хорошо определенные молекулярные кластеры известны и неизменно содержат органические лиганды на своей поверхности. Два примера: [Au6C(P(C6H5)3)6](2+) и [Au9(P(C6H5)3)8](3+). Для получения обнаженных золотых кластеров для каталитических применений необходимо удалить лиганды, что обычно делается путем высокотемператного прокаливания (200 °C и выше), но также может быть достигнуто химическим путем при низких температурах (ниже 100 °C), например, с использованием перекисного метода.

Коллоидные кластеры

Золотые кластеры могут быть получены в коллоидной форме. Такие коллоиды часто имеют поверхностное покрытие из алканетиолов или белков. Эти кластеры могут использоваться в иммуногистохимическом окрашивании. Наночастицы золота (НЧЗ) характеризуются интенсивным поглощением в видимой области спектра, что расширяет возможности их применения при создании полностью оптических устройств. Длина волны полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР) зависит от размера и формы наночастиц, а также от их взаимодействия с окружающей средой. Наличие этой полосы повышает применимость наночастиц золота в качестве строительных блоков для устройств хранения данных, сверхбыстрого переключения и газовых сенсоров. В то время как плазмонические наночастицы золота проявляют только электрические моменты, кластеры таких частиц могут проявлять магнитные моменты, что делает их представляющими большой интерес для использования в оптических метаматериалах.

Катализ

При имплантации на поверхность |FeOOH золотые кластеры катализируют окисление |CO при комнатной температуре. Аналогично, золотые кластеры, имплантированные на |TiO2, способны окислять |CO при температурах до 40 К. Каталитическая активность коррелирует со структурой золотых нанокластеров. Существует тесная взаимосвязь между энергетическими и электронными свойствами и размером и структурой золотых нанокластеров.