Kansainvälisessä tutkimuksessa on saatu aikaan uusia, nanoklustereista muodostuvia kidemäisiä materiaaleja. Materiaalien kasvuun ja ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa säätelemällä klusterien pinnalla tapahtuvia kemiallisia reaktioita.
Tutkijoiden valmistamissa veteen liukenevissa klustereissa on 25 kulta-atomia ja klusterien pinnalla metallia suojaavia ligandimolekyylejä.
Kun vesiliuokseen lisättiin klustereiden pintaan heikosti tarttuvia molekyylejä, tetra-alkyyliammonium-ioneja, klusterit muodostivat noin mikrometrin kokoisia täydellisesti järjestyneitä kiteitä.
Kiteiden rakenteen elektronimikroskooppitutkimus paljasti, että ne koostuivat tiiviisti pakkautuneista klusterien rihmoista, joissa yksittäiset klusterit liittyivä toisiinsa lyhyillä kultaketjuilla.
Klustereiden pinnalle tarttuvien molekyylien kokoa muuttelemalla voitiin vaikuttaa siihen, minkä kokoisia ja minkä muotoisia kidemateriaaleja saatiin kasvatettua.
Jyväskylän yliopisto simuloi molekyylien vuorovaikutuksia
Tutkimukseen osallistui myös Jyväskylän yliopiston laskennallisen nanotieteen ryhmä, jota johtaa professori Hannu Häkkinen.
Ryhmän tutkijat analysoivat klusterimateriaaleista otettuja mikroskooppikuvia erilaisilla kuvantunnistusmenetelmillä.
Lisäksi he rakensivat atomaarisen mallin kiteelle ja simuloivat klusterien pinnoilla tapahtuvia molekulaarisia vuorovaikutuksia, jotka selittävät havaitun rihmamaisen rakenteen syntymisen.
Näin voitiin selvittää makroskooppisten materiaalien kasvuun liittyviä prosesseja atomitason kemian kuvauksesta alkaen.
Tutkimuksessa käytettyjen kultaklustereiden atomirakenne on Häkkisen mukaan tunnettu vuodesta 2008. Se, kuinka yksittäiset klusterit muodostavat makroskooppisia järjestyneitä metamateriaaleja, selvisi kuitenkin vasta nyt.
Mahdollisia sovelluksia esimerkiksi nanolääketieteessä
Tavallinen kiinteä aine koostuu kidehilaan järjestyneistä atomeista. Keinotekoisesti valmistetuissa metamateriaaleissa kidehilan rakennuspalikat ovat yksittäistä atomia suurempia kokonaisuuksia.
”Tuloksemme ovat tärkeitä tutkijayhteisölle, joka haluaa ymmärtää, miten metamateriaaleja voidaan kasvattaa ja muokata esimerkiksi optisiin tai nanolääketieteen sovelluksiin”, Hannu Häkkinen sanoo.
Tutkimuksessa käytetyt klusterimateriaalit valmistettiin Singaporen kansallisessa yliopistossa, ja mikroskopiakuvaukset tehtiin Kaust-yliopistossa Saudi-Arabiassa.
Tutkimustulokset julkaisi Nature Chemistry -lehti.
(Grafiikka Sami Malola) Taustalla elektronimikroskoopin kuva kultaklustereista (tummat alueet) koostuvasta järjestyneestä kiteestä. Vaaleat pienet atomit ovat tiivisti pakkautuneita klusteririhmoja. Etualalla suurennettu atomirakenne kahdesta kultaklusterista ja niitä yhdistävästä kultaligandiketjusta.
