Обычная твердая материя состоит из атомов, организованных в кристаллическую решетку. Химический характер атомов и симметрия решетки определяют свойства вещества, например, является ли оно металлом, полупроводником или электрическим изолятором. Симметрия решетки может быть изменена условиями окружающей среды, такими как температура или высокое давление, которые могут вызывать структурные переходы и превращать даже электрический изолятор в электрический проводник, то есть металл.

Более крупные идентичные объекты, такие как наночастицы или атомарно точные металлические нанокластеры, также могут организовываться в кристаллическую решетку, образуя так называемые метаматериалы. Однако информации о том, как спроектировать выращивание таких материалов из их строительных блоков, было мало, поскольку рост кристаллов является типичным процессом самосборки.

Теперь в исследовании, проведенном исследователями из Сингапура, Саудовской Аравии и Финляндии, были получены первые сведения об инженерном выращивании кристаллов с помощью атомарно точных металлических нанокластеров. Они синтезировали металлические кластеры, состоящие всего из 25 атомов золота диаметром в один нанометр. Эти кластеры растворимы в воде благодаря молекулам лиганда, которые защищают золото. Известно, что этот кластерный материал самоорганизуется в четко очерченные плотно упакованные монокристаллы при испарении водного растворителя. Однако исследователь нашел новую концепцию регулирования роста кристаллов путем добавления молекулярных ионов тетраалкил-аммония в растворитель. Эти ионы влияют на химический состав поверхности золотых кластеров, и было обнаружено, что их размер и концентрация оказывают влияние на размер, форму и морфологию образовавшихся кристаллов. Примечательно, что изображения некоторых кристаллов с помощью электронной микроскопии высокого разрешения показали, что они состоят из полимерных цепочек кластеров с межчастичными связями из четырех атомов золота. Продемонстрированный химический состав поверхности открывает новые возможности для создания метаматериалов на основе металлических кластеров для исследования их электронных и оптических свойств.

Кластерные материалы были синтезированы в Национальном университете Сингапура, визуализация с помощью электронной микроскопии была выполнена в Университете науки и техники имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, а теоретическое моделирование было проведено в Университете Ювяскюля, Финляндия.