Självsammansättning av materia är en av naturens grundläggande principer, styra tillväxten av större ordnade och funktionella system från mindre byggstenar. Självmontering kan observeras i alla längdskalor från molekyler till galaxer. Nu, forskare vid Jyväskylä universitets nanovetenskapscenter och HYBER Center of Excellence vid Aalto-universitetet i Finland rapporterar en ny upptäckt av självmonterande två- och tredimensionella material som bildas av små guldnanokluster på bara ett par nanometer i storlek, var och en har 102 guldatomer och ett ytskikt av 44 tiolmolekyler. Studien, genomförs med finansiering från Finlands Akademi och Europeiska forskningsrådet, har publicerats i Angewandte Chemie , en av världens ledande tidskrifter inom kemi.

Atomstrukturen för nanoklustret i guld med 102 atomer löstes först av gruppen Roger D Kornberg vid Stanford University 2007. Sedan dess, flera ytterligare studier av dess egenskaper har genomförts i Jyväskylä Nanoscience Centre, där den också har använts för elektronmikroskopi avbildning av virusstrukturer. Tiolytan på nanoklustret har ett stort antal sura grupper som kan bilda riktade vätebindningar till angränsande nanokluster och initiera riktad självmontering.

Självmonteringen av guldnanokluster skedde i en vatten-metanolblandning och producerade två distinkt olika överbyggnader som avbildades i ett högupplöst elektronmikroskop vid Aalto-universitetet. I en av strukturerna, tvådimensionella hexagonalt ordnade lager av guld nanokluster staplades ihop, varje lager är bara ett nanokluster tjockt. Ändring av syntesförhållandena, även tredimensionell sfärisk, ihåliga kapsidstrukturer observerades, där tjockleken på kapsidväggen återigen motsvarar bara en nanoklusterstorlek (se figur).

Även om detaljerna i formationsmekanismerna för dessa överbyggnader motiverar ytterligare systemiska undersökningar, de första observationerna öppnar flera nya synsätt på syntetiskt tillverkade självmonterande nanomaterial.

"I dag, vi känner till flera tiotals olika typer av atomistiskt exakta guldnanokluster, och jag tror att de kan uppvisa en mängd olika självmonterande tillväxtmönster som kan producera en rad nya metamaterial, sa akademiprofessor Hannu Häkkinen, som koordinerade forskningen vid Nanoscience Centre. "Inom biologi, Typiska exempel på självmonterande funktionella system är virus och vesikler. Biologiska självmonterade strukturer kan också demonteras genom milda förändringar i de omgivande biokemiska förhållandena. Det kommer att vara av stort intresse att se om dessa guldbaserade material kan demonteras och sedan återmonteras till olika strukturer genom att förändra något i det omgivande lösningsmedlets kemi."

"De fristående tvådimensionella nanoskivorna kommer att ge möjligheter till den nya generationens funktionella material, och de ihåliga kapsiderna kommer att bana väg för mycket lätta kolloidala rammaterial, " sa postdoktorn Nonappa (Aalto-universitetet).

Professor Olli Ikkala vid Aalto-universitetet sa:"I en bredare ram, det har förblivit som en stor utmaning att bemästra självmonteringarna genom alla längdskalor för att ställa in de funktionella egenskaperna hos material på ett rationellt sätt. Än så länge, det har allmänt ansetts tillräckligt för att uppnå tillräckligt snäva storleksfördelningar av de ingående strukturella enheterna i nanoskala för att uppnå väldefinierade strukturer. De nuvarande resultaten tyder på en paradigmändring för att eftersträva strikt definierade enheter i nanoskala för självmontering."