Un equipo de investigadores de los Institutos de Ciencia Física de Hefei de la Academia China de Ciencias (CAS) ha logrado un avance significativo en la manipulación de nanopartículas de oro. En un estudio recientemente publicado en Science Advances, dirigidos por el profesor Wu Zhikun, los científicos han conseguido extraer consecutivamente el átomo más interno y el electrón más externo de una nanopartícula de oro sin alterar su estructura global. Este control preciso permite explorar cómo el spin magnético del material influye en su actividad catalítica.
Las nanoclusters de oro, compuestas por unas pocas a cientos de átomos de oro, son modelos ideales para estudiar la relación entre la estructura atómica y las propiedades del material. Sin embargo, ajustar la estructura de estos clústeres, especialmente cuando son relativamente grandes y complejos, ha sido un desafío importante en la investigación de materiales. Para superar esta dificultad, el equipo desarrolló un método de síntesis innovador, utilizando una mezcla de ligandos de tiol e yodo para estabilizar un clúster de oro de múltiples capas: [Au127I4(TBBT)48], donde TBBT es una molécula de azufre de gran tamaño.
A través de la introducción de tioles adicionales, los investigadores lograron «extraer» suavemente el único átomo de oro en el centro de la estructura, similar a retirar un guisante del medio de una muñeca rusa, sin colapsar las capas circundantes. Este proceso dio lugar a un nuevo clúster estable: Au126I4(TBBT)48, que resultó ser diamagnético.
Influencia del Spin Magnético en la Catalización
Posteriormente, mediante una cuidadosa oxidación de esta estructura, los investigadores crearon una tercera versión: [Au126I4(TBBT)48]+, que recuperó el paramagnetismo. Este trabajo demuestra la capacidad de alterar con precisión el estado magnético del material al eliminar consecutivamente un átomo y un electrón, un nivel de control raramente alcanzado en nanomateriales.
Utilizando esta serie de clústeres, el equipo estudió cómo la distribución del spin magnético cambiaba a lo largo de la estructura. Descubrieron que la densidad de spin se desplazaba hacia el exterior a medida que se eliminaba el átomo central y se oxidaba la partícula. Resultó aún más interesante que los spins tienden a concentrarse más en los átomos de yodo que en los de azufre, lo que sugiere que el spin podría jugar un papel crucial en la sintonización de las propiedades catalíticas.
Para validar esta hipótesis, el equipo evaluó la eficacia catalítica de cada versión del clúster de oro en la reducción de dióxido de carbono a monóxido de carbono, una reacción de creciente interés en la investigación sobre energía limpia. La versión diamagnética (Au126I4) alcanzó casi un 100% de eficiencia Faradaica a un voltaje relativamente bajo, superando a sus contrapartes paramagnéticas. Este resultado refuerza la idea de que el spin magnético tiene un papel significativo en la catalización.
El profesor Wu comentó: «Nuestros hallazgos ofrecen importantes perspectivas sobre cómo el spin influye en el comportamiento catalítico. Esto podría abrir nuevas estrategias para diseñar materiales multifuncionales a nivel atómico». Este tipo de investigaciones no solo es pionero en la ciencia de materiales, sino que también subraya la importancia de la innovación en la búsqueda de soluciones sostenibles para los desafíos energéticos del futuro.
Más información:
Guoqing Bian et al, «Remove the innermost atom of a magnetic multi-shell gold nanoparticle for near-unity conversion of CO2 to CO», Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu1996.
