Itsejärjestäytyviä nanolevyjä ja nanopalloja atomintarkoista kultananoklustereista

Uusilla materiaaleilla odotetaan olevan sovelluksia esimerkiksi höyhenen keveinä toiminnallisina materiaalirunkoina ja koska kaksiulotteisilla nanomateriaaleilla on uusia toiminnallisia ominaisuuksia. Nyt löydetyt kultamateriaalit ovat mielenkiintoisia myös siksi, että niiden jokainen rakennusyksikkö on identtinen, joten ne ovat luonteeltaan orgaanisten ja biologisten itsejärjestäytyvien materiaalien kaltaisia. Tutkimus on julkaistu johtavassa kemian alan kansainvälisessä julkaisusarjassa Angewandte Chemie (1).

Tutkimuksessa käytettiin Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa valmistettuja atomintarkkoja kulta-nanoklustereita, joissa on 102 kulta-atomin muodostama ”sydän” ja 44 tiolimolekyylin muodostama suojaava pintakerros. Tällaisten klusterien atomirakenne ratkaistiin vuonna 2007 Stanfordin yliopistossa (2).  Jyväskylässä näitä kultananoklustereita on tutkittu jo usean vuoden ajan, ja niitä on sovellettu muun muassa virusten elektronimikroskooppikuvausten leimoina (3). Yksittäisen kultananoklusterin koko on noin kaksi nanometriä.

Nyt tehdyssä 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 tulee olemaan mielenkiintoista nähdä, millaisia meta-materiaaleja voimme näistä rakentaa itsejärjestäytymisen avulla. Nämä rakenteet muistuttavat myös biologisen itsejärjestäytymisen kautta muodostuvia rakenteita sikäli, että rakenteita voidaan koota ja hajottaa pienillä ympäristön kemiallisilla muutoksilla”, sanoo tutkimusta Jyväskylässä koordinoinut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen.

”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.

”Uudet tuloksemme ovat mielenkiintoisia myös itsejärjestäytymisen perusperiaatteiden tutkimisen kannalta”, sanoo tutkimusta Aalto-yliopistossa koordinoinut professori Olli Ikkala. ”On ajateltu perinteisesti, että itsejärjestäytyminen tapahtuu, kun prosessissa on mukana tarpeeksi samankokoisia 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:

Akatemiaprofessori Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto, p. 0400 247 973,hannu.j.hakkinen@jyu.fi    

Tutkijatohtori Nonappa, Aalto-yliopisto, p. 050 593 1480, nonappa@aalto.fi  

Professori Olli Ikkala, Aalto-yliopisto, p. 050 410 0454, olli.ikkala@aalto.fi    

 

Viitteet:

(1) 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

(2) P. Jadzinsky et al., “Structure of a thiol-monolayer protected gold nanoparticle at 1.1Å resolution“, Science 318, 430 (2007).

(3) V. Marjomäki et al., “Site-specific targeting of  enterovirus capsid by functionalized monodispersed gold nanoclusters“, PNAS 111, 1277 (2014).

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

Suomen Akatemian viestintä  
Tiedottaja Leena Vähäkylä
p. 0295 335 139
leena.vahakyla@aka.fi