L'autoassemblaggio della materia è uno dei principi fondamentali della natura, dirigere la crescita di sistemi ordinati e funzionali più grandi da blocchi di costruzione più piccoli. L'autoassemblaggio può essere osservato in tutte le scale di lunghezza, dalle molecole alle galassie. Ora, ricercatori del Centro di nanoscienze dell'Università di Jyväskylä e del Centro di eccellenza HYBER dell'Università di Aalto in Finlandia riportano una nuova scoperta di materiali bi e tridimensionali autoassemblanti formati da minuscoli nanocluster d'oro di appena un paio di nanometri in dimensione, ciascuno avente 102 atomi d'oro e uno strato superficiale di 44 molecole di tiolo. Lo studio, condotto con i finanziamenti dell'Accademia di Finlandia e del Consiglio europeo della ricerca, è stato pubblicato in Angewandte Chemie , una delle riviste più importanti al mondo nel campo della chimica.

La struttura atomica del nanocluster d'oro da 102 atomi è stata risolta per la prima volta dal gruppo di Roger D Kornberg alla Stanford University nel 2007. Da allora, diversi ulteriori studi sulle sue proprietà sono stati condotti nel Jyväskylä Nanoscience Centre, dove è stato anche utilizzato per l'imaging al microscopio elettronico delle strutture virali. La superficie tiolica del nanocluster ha un gran numero di gruppi acidi che possono formare legami idrogeno diretti ai nanocluster vicini e avviare l'autoassemblaggio diretto.

L'autoassemblaggio di nanocluster d'oro ha avuto luogo in una miscela di acqua e metanolo e ha prodotto due sovrastrutture nettamente diverse che sono state riprese in un microscopio elettronico ad alta risoluzione presso l'Università di Aalto. In una delle strutture, strati bidimensionali ordinati esagonale di nanocluster d'oro sono stati impilati insieme, ogni strato è spesso solo un nanocluster. Modificando le condizioni di sintesi, anche sferico tridimensionale, sono state osservate strutture di capside cavo, dove lo spessore della parete del capside corrisponde nuovamente ad una sola dimensione di nanocluster (vedi figura).

Mentre i dettagli dei meccanismi di formazione di queste sovrastrutture giustificano ulteriori indagini sistemiche, le osservazioni iniziali aprono diverse nuove prospettive sui nanomateriali autoassemblanti sintetici.

"Oggi, sappiamo di diverse decine di diversi tipi di nanocluster d'oro atomisticamente precisi, e credo che possano esibire un'ampia varietà di modelli di crescita autoassemblanti che potrebbero produrre una gamma di nuovi meta-materiali, ", ha affermato il professore dell'Accademia Hannu Häkkinen, che ha coordinato la ricerca presso il Nanoscience Center. "In biologia, esempi tipici di sistemi funzionali autoassemblanti sono virus e vescicole. Le strutture biologiche autoassemblate possono anche essere smontate da lievi cambiamenti nelle condizioni biochimiche circostanti. Sarà di grande interesse vedere se questi materiali a base d'oro possono essere disassemblati e quindi riassemblati in strutture diverse modificando qualcosa nella chimica del solvente circostante".

"I nanosheet bidimensionali indipendenti porteranno opportunità verso materiali funzionali di nuova generazione, e i capsidi cavi apriranno la strada a materiali per strutture colloidali altamente leggeri, Ha detto il ricercatore post-dottorato Nonappa (Aalto University).

Il professor Olli Ikkala dell'Università di Aalto ha dichiarato:"In un quadro più ampio, è rimasta una grande sfida padroneggiare gli autoassemblaggi attraverso tutte le scale di lunghezza per mettere a punto le proprietà funzionali dei materiali in modo razionale. Finora, è stato comunemente considerato sufficiente ottenere distribuzioni dimensionali sufficientemente strette delle unità strutturali costituenti su scala nanometrica per ottenere strutture ben definite. I risultati attuali suggeriscono un cambiamento di paradigma per perseguire unità nanometriche rigorosamente definite per gli autoassemblaggi".