Zelfassemblage van materie is een van de fundamentele principes van de natuur, het sturen van de groei van grotere geordende en functionele systemen vanuit kleinere bouwstenen. Zelfassemblage kan worden waargenomen in alle lengteschalen, van moleculen tot sterrenstelsels. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Nanoscience Center van de Universiteit van Jyväskylä en het HYBER Centre of Excellence van de Aalto University in Finland rapporteren een nieuwe ontdekking van zelf-assemblerende twee- en driedimensionale materialen die worden gevormd door kleine gouden nanoclusters van slechts een paar nanometer in maat, elk met 102 goudatomen en een oppervlaktelaag van 44 thiolmoleculen. De studie, uitgevoerd met financiering van de Academie van Finland en de Europese Onderzoeksraad, is gepubliceerd in Angewandte Chemie , een van 's werelds toonaangevende tijdschriften in de chemie.

De atomaire structuur van de 102-atoom gouden nanocluster werd voor het eerst opgelost door de groep van Roger D Kornberg aan de Stanford University in 2007. Sindsdien is er zijn verschillende verdere onderzoeken naar de eigenschappen uitgevoerd in het Jyväskylä Nanoscience Centre, waar het ook is gebruikt voor elektronenmicroscopiebeeldvorming van virusstructuren. Het thioloppervlak van de nanocluster heeft een groot aantal zure groepen die gerichte waterstofbruggen kunnen vormen naar naburige nanoclusters en gerichte zelfassemblage kunnen initiëren.

De zelfassemblage van gouden nanoclusters vond plaats in een water-methanolmengsel en produceerde twee duidelijk verschillende superstructuren die werden afgebeeld in een hoge resolutie elektronenmicroscoop aan de Aalto University. In een van de constructies tweedimensionale hexagonaal geordende lagen van gouden nanoclusters werden op elkaar gestapeld, elke laag is slechts één nanocluster dik. De synthesevoorwaarden wijzigen, ook driedimensionaal bolvormig, holle capside-structuren werden waargenomen, waarbij de dikte van de capsidewand weer overeenkomt met slechts één nanoclustergrootte (zie figuur).

Hoewel de details van de vormingsmechanismen van deze superstructuren verder systemisch onderzoek rechtvaardigen, de eerste waarnemingen openen verschillende nieuwe inzichten in synthetisch gemaakte zelfassemblerende nanomaterialen.

"Vandaag, we kennen enkele tientallen verschillende soorten atomistisch nauwkeurige gouden nanoclusters, en ik geloof dat ze een breed scala aan zelfassemblerende groeipatronen kunnen vertonen die een reeks nieuwe metamaterialen kunnen produceren, " zei Akademiehoogleraar Hannu Häkkinen, die het onderzoek bij het Nanoscience Centre coördineerde. "In de biologie, typische voorbeelden van zelfassemblerende functionele systemen zijn virussen en blaasjes. Biologische zelf-geassembleerde structuren kunnen ook worden gedemonteerd door zachte veranderingen in de omringende biochemische omstandigheden. Het zal van groot belang zijn om te zien of deze op goud gebaseerde materialen kunnen worden gedemonteerd en vervolgens opnieuw worden samengevoegd tot verschillende structuren door iets in de chemie van het omringende oplosmiddel te veranderen."

"De vrijstaande tweedimensionale nanosheets zullen kansen bieden voor functionele materialen van de nieuwe generatie, en de holle capsiden zullen de weg vrijmaken voor zeer lichtgewicht colloïdale framematerialen, "Postdoctoraal onderzoeker Nonappa (Aalto University) zei.

Professor Olli Ikkala van Aalto University zei:"In een breder kader, het is een grote uitdaging gebleven om de zelfassemblages door alle lengteschalen onder de knie te krijgen om de functionele eigenschappen van materialen op een rationele manier af te stemmen. Tot dusver, het is algemeen beschouwd als voldoende om voldoende smalle grootteverdelingen van de samenstellende structurele eenheden op nanoschaal te bereiken om goed gedefinieerde structuren te bereiken. De huidige bevindingen suggereren een paradigmaverandering om strikt gedefinieerde nanoschaaleenheden voor zelfassemblage na te streven."