Forskere opdager selvsamlende 2-D og 3-D materialer

Selvsamling af stof er et af naturens grundlæggende principper, styre væksten af ​​større ordnede og funktionelle systemer fra mindre byggesten. Selvsamling kan observeres i alle længdeskalaer fra molekyler til galakser. Nu, forskere ved Nanoscience Center ved Jyväskylä Universitet og HYBER Center of Excellence ved Aalto University i Finland rapporterer om en ny opdagelse af selvsamlende to- og tredimensionelle materialer, der er dannet af bittesmå guld-nanoklynger på blot et par nanometer i størrelse, der hver har 102 guldatomer og et overfladelag med 44 thiolmolekyler. Studiet, udført med midler fra Finlands Akademi og Det Europæiske Forskningsråd, er udgivet i Angewandte Chemie , en af ​​verdens førende tidsskrifter inden for kemi.

Atomstrukturen af ​​102-atom guld nanocluster blev først løst af gruppen af ​​Roger D Kornberg ved Stanford University i 2007. Siden da, flere yderligere undersøgelser af dets egenskaber er blevet udført i Jyväskylä Nanoscience Center, hvor det også har været brugt til elektronmikroskopi-billeddannelse af virusstrukturer. Thioloverfladen af ​​nanoclusteren har et stort antal sure grupper, der kan danne dirigerede hydrogenbindinger til nabo-nanocluster og initiere rettet selvsamling.

Selvsamlingen af ​​guld-nanoklynger fandt sted i en vand-methanol-blanding og producerede to tydeligt forskellige overbygninger, der blev afbildet i et højopløseligt elektronmikroskop på Aalto Universitet. I en af ​​strukturerne, todimensionale sekskantede ordnede lag af guld-nanokluster blev stablet sammen, hvert lag er kun et nanokluster tykt. Ændring af syntesebetingelserne, også tredimensionel sfærisk, hule kapsidstrukturer blev observeret, hvor tykkelsen af ​​kapsidvæggen igen svarer til kun en nanoklusterstørrelse (se figur).

Mens detaljerne i dannelsesmekanismerne for disse overbygninger berettiger yderligere systemiske undersøgelser, de første observationer åbner flere nye syn på syntetisk fremstillede selvsamlende nanomaterialer.

"I dag, vi kender til flere titalls forskellige typer atomistisk præcise guld -nanokluster, og jeg tror, ​​de kan udvise en bred vifte af selvsamlende vækstmønstre, der kunne producere en række nye metamaterialer, " sagde Akademiprofessor Hannu Häkkinen, der koordinerede forskningen på Nanoscience Center. "I biologi, typiske eksempler på selvsamlende funktionelle systemer er vira og vesikler. Biologiske selvsamlede strukturer kan også demonteres ved blide ændringer i de omgivende biokemiske forhold. Det vil være af stor interesse at se, om disse guldbaserede materialer kan demonteres og derefter samles igen til forskellige strukturer ved at ændre noget i det omgivende opløsningsmiddels kemi."

"De fritstående todimensionelle nanoplader vil bringe muligheder for den nye generation af funktionelle materialer, og de hule kapsider vil bane vejen for meget lette kolloide rammematerialer, " sagde postdoktor Nonappa (Aalto University).

Professor Olli Ikkala fra Aalto Universitet sagde:"I en bredere ramme, det er fortsat som en stor udfordring at mestre selvsamlingerne gennem alle længdeskalaer for at justere materialernes funktionelle egenskaber på en rationel måde. Indtil nu, det er almindeligvis blevet anset for at være tilstrækkeligt til at opnå tilstrækkelig snævre størrelsesfordelinger af de konstituerende nanoskala strukturelle enheder til at opnå veldefinerede strukturer. De nuværende resultater tyder på en paradigmeændring for at forfølge strengt definerede nanoskalaenheder til selvsamlinger."