Tutkijat löysivät uudenlaisia itsejärjestäytyviä materiaaleja

Kultananoklusterien muodostamia kaksi- ja kolmiulotteisia rakenteita. Yksittäisen klusterin atomirakenne näytetään ylhäällä vasemmalla.

Aalto-yliopiston HYBER-huippuyksikön ja Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat ovat löytäneet uudenlaisia, atomintarkoista kulta-nanoklustereista muodostuvia itsejärjestäytyviä kaksiulotteisia nanolevyjä ja onttoja nanopallomateriaaleja. Tutkimus on tehty Suomen Akatemian rahoituksella.

”Nyt havaitut kerrosmaiset ja kuplamaiset materiaalit voivat löytää tiensä uudenlaisiin sovelluksiin, joissa tarvitaan hyvin määriteltyjä rakenteita ja esimerkiksi höyhenen keveitä ontelomaisia materiaalien runkoja”, kommentoi tutkijatohtori Nonappa Aalto-yliopistosta.

Kultamateriaalit ovat mielenkiintoisia myös siksi, että niiden jokainen rakennusyksikkö on identtinen, joten ne ovat luonteeltaan orgaanisten ja biologisten itsejärjestäytyvien materiaalien kaltaisia. Artikkeli “Template-Free Supracolloidal Self-Assembly of Atomically Precise Gold Nanoclusters: From 2D Colloidal Crystals to Spherical Capsids”, on julkaistu johtavassa kemian alan kansainvälisessä julkaisusarjassa Angewandte Chemie.

Kahden nanometrin palasia

Tutkimuksessa käytettiin Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa valmistettuja atomintarkkoja, kahden nanometrin kokoisia kulta-nanoklustereita, joissa on 102 kulta-atomin muodostama ”sydän” ja 44 tiolimolekyylin muodostama suojaava pintakerros. Tutkimuksessa kultananopartikkeleilla havaittiin uudenlainen itsejärjestäytymisilmiö vesi-metanoliliuoksessa. Näytteen kemiallisesta käsittelystä riippuen klusterit muodostivat joko noin 500 nanometrin kokoisia tasomaisia kerrosrakenteita tai noin 200–500 nanometrin kokoisia kolmiulotteisia onttoja pallorakenteita (kuva). Rakenteet syntyvät klustereiden pinnalla olevien happoryhmien välisistä vuorovaikutuksista, jotka saavat aikaan suuntautuneita vetysidoksia vierekkäisten klustereiden välille.  Rakenteet kuvattiin ja karakterisoitiin elektronimikroskopian ja tomografian avulla Aalto-yliopiston mikroskopiakeskuksessa.

”Tunnemme tällä hetkellä jo kymmeniä erilaisia ja erikokoisia atomintarkkoja kultananoklustereita, ja on mielenkiintoista nähdä, millaisia meta-materiaaleja voimme näistä rakentaa itsejärjestäytymisen avulla”, sanoo tutkimusta Jyväskylässä koordinoinut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen.

”Uudet tuloksemme ovat mielenkiintoisia myös itsejärjestäytymisen perusperiaatteiden tutkimisen kannalta”, sanoo tutkimusta Aalto-yliopistossa koordinoinut professori Olli Ikkala. ”Perinteisesti on ajateltu, että itsejärjestäytyminen tapahtuu, kun prosessissa on mukana tarpeeksi saman kokoisia ja -muotoisia osasia. Nyt löydetyissä materiaaleissa jokainen osanen on periaatteessa identtinen. Tällä tavoin aivan pienet erot kultaklustereiden pintojen vuorovaikutuksessa, kuten mahdollisten vetysidosten määrä ja suunta, tulevat säätelemään makroskooppisessa mittakaavassa havaittavien rakenteiden syntyä.”

Tutkimukseen osallistuivat myös dosentti Tanja Lahtinen ja tutkijatohtori Tiia-Riikka Tero Jyväskylän yliopistosta sekä Johannes Haataja Aalto-yliopistosta.

Lisätietoja:

Tutkijatohtori Nonappa
p. 050 593 1480
[email protected]

Professori Olli Ikkala
p. 050 410 0454
[email protected]

Akatemiaprofessori Hannu Häkkinen
p. 0400 247 973
[email protected]

Nonappa, T. Lahtinen, J.S. Haataja, T.-R. Tero, H. Häkkinen and O. Ikkala, “Template-Free Supracolloidal Self-Assembly of Atomically Precise Gold Nanoclusters: From 2D Colloidal Crystals to Spherical Capsids”, Angewandte Chemie International Edition, published online 23 November 2016, DOI: 10.1002/anie.201609036