Há apenas vinte e cinco anos, os químicos consideravam o ouro um dos elementos metálicos mais inertes, até a descoberta de que dispersões de ouro em escala nanométrica tinham alta atividade catalítica, forçou um repensar os princípios antigos. Os pesquisadores logo descobriram que as nanopartículas de ouro podem promover muitas reações industrialmente importantes, tais como a remoção do gás monóxido de carbono prejudicial dos fluxos de emissão. Embora os benefícios do ouro em nanoescala sejam bem comprovados, preparar o material de forma durável e reutilizável continua sendo um desafio significativo que limita sua aceitação pelos fabricantes.

O trabalho das equipes de Ming-Yong Han do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais e Yong-Wei Zhang do Instituto de Computação de Alto Desempenho da A * STAR revelou que a estabilidade dos catalisadores de nanopartículas de ouro pode ser aumentada revestindo-os com camadas protetoras de titânia (TiO2). Concebido pelo co-autor Zhi Wei Seh, um A * STAR National Science Scholar, essa nova técnica produz as chamadas nanoestruturas de Janus, que retêm quase toda a atividade catalítica das nanopartículas de ouro puro sem sofrer agregação irreversível que diminui a reatividade destas.

Nomeado após o deus romano de duas faces de começos e transições, As nanoestruturas de Janus unem dois ou mais componentes de tamanhos iguais por meio de junções muito pequenas - um arranjo que maximiza a área de superfície ativa de cada substância. Os efeitos benéficos do emparelhamento de nanopartículas de ouro com titânia são bem conhecidos, mas até o trabalho dos pesquisadores A * STAR, uma compreensão detalhada do mecanismo pelo qual essas duas espécies se fundem provou ser ilusória.

Han e colegas de trabalho usaram um composto quelante não convencional chamado diisopropóxido bis (acetilacetonato) de titânio para nuclear o crescimento de TiO2 em ouro em taxas extremamente lentas. Controlando cuidadosamente a adição deste reagente às nanopartículas de ouro em forma de bastonete e esférica, os pesquisadores observaram três nanoestruturas distintas (veja a imagem):uma geometria de Janus; uma geometria "excêntrica" ​​parcialmente encapsulante; e um arranjo núcleo-concha "concêntrico".

Experimentos catalíticos revelaram que a reatividade e durabilidade das estruturas de ouro-titânia Janus têm vantagens únicas sobre outras nanopartículas. Devido à natureza exposta de suas superfícies de ouro, os primeiros catalisam a redução da molécula 4-nitro fenol a taxas muito mais rápidas do que as nanopartículas excêntricas e concêntricas cujas superfícies de ouro são mais confinadas. Além disso, o revestimento protetor de TiO2 dos catalisadores híbridos permitiu que eles fossem reutilizados repetidamente com pouca perda de atividade. Em contraste, nanopartículas de ouro puro aglomeraram-se em aglomerados não reativos após apenas cinco ciclos de uso.

Outras investigações teóricas da equipe revelaram que a formação de nanoestruturas de Janus como espécie energeticamente estável é promovida pela adição de volumes menores do precursor de titânia - uma descoberta que pode ajudar os pesquisadores a gerar outros híbridos de óxido de metal para aplicações catalíticas nas proximidades futuro.