Gli scienziati hanno creato nuovi tipi di particelle, 1/100 del diametro di un capello umano, che si assemblano spontaneamente in strutture simili a molecole fatte di atomi. Credito:illustrazione per gentile concessione di Yufeng Wang e Yu Wang.
Gli scienziati hanno creato nuovi tipi di particelle, 1/100 del diametro di un capello umano, che si assemblano spontaneamente in strutture simili a molecole fatte di atomi. Queste nuove particelle si uniscono, o "autoassemblare, " per formare strutture in modelli che in precedenza erano impossibili da realizzare e mantenere la promessa per la produzione di materiali ottici e ceramiche avanzati.
Il metodo, descritto nell'ultimo numero della rivista Natura , è stato sviluppato da un team di chimici, ingegneri chimici, e fisici alla New York University (NYU), la Harvard School of Engineering &Applied Sciences, il Dipartimento di Fisica di Harvard, e Dow Chemical Company.
Il metodo è incentrato sul miglioramento dell'architettura dei colloidi, piccole particelle sospese in un mezzo fluido. Le dispersioni colloidali sono composte da oggetti di uso quotidiano come vernici, latte, gelatina, bicchiere, e porcellana, ma il loro potenziale per creare nuovi materiali rimane in gran parte inutilizzato.
In precedenza, gli scienziati erano riusciti a costruire strutture rudimentali dai colloidi. Ma la capacità di utilizzare colloidi per progettare e assemblare complesse strutture tridimensionali, che sono vitali per la progettazione di materiali ottici avanzati, è stato limitato. Questo è, in parte, perché i colloidi mancano di legami direzionali, che sono necessari per controllare l'autoassemblaggio delle particelle e per aumentare la complessità mantenendo l'integrità strutturale di queste creazioni. Tali assemblee fungono da elementi costitutivi del mondo naturale, ad es. atomi e molecole, ma sono rari nel dominio colloidale.
"Ciò che questo metodo mirava a fare era usare le proprietà della natura per gli atomi e applicarle al mondo colloidale, " ha spiegato il professore di chimica della NYU Marcus Weck, uno dei coautori dello studio.
Queste sono immagini al microscopio elettronico di "atomi colloidali, " particelle di dimensioni micrometriche con chiazze che consentono il legame solo lungo direzioni particolari. Da sinistra a destra:particella con un cerotto (analogo a un atomo di idrogeno), Due, tre, quattro (analogo a un atomo di carbonio), cinque, sei, e sette patch. Credito:Immagine per gentile concessione di Vinothan N. Manoharan e David J. Pine.
"I chimici hanno un'intera tavola periodica di atomi tra cui scegliere quando sintetizzano molecole e cristalli, " ha aggiunto il coautore Vinothan Manoharan, Professore Associato di Ingegneria Chimica e Fisica ad Harvard. "Volevamo sviluppare un 'set di costruzione' simile per realizzare molecole e cristalli su larga scala".
Nello sviluppo di colloidi con tali proprietà, i ricercatori hanno progettato "toppe" chimiche che possono formare legami direzionali, consentendo così l'assemblaggio di "reticoli" tridimensionali con poche connessioni tra le particelle, un importante elemento di design per molti materiali avanzati. Senza legame direzionale, tali strutture sono instabili.
Il trucco era stabilire capacità di legame sulle patch. Gli scienziati lo hanno fatto utilizzando singoli filamenti di DNA, che gli scienziati della New York University e altrove hanno precedentemente impiegato per organizzare piccole particelle. Nel metodo descritto in Nature, questi filamenti di DNA servivano come "estremità appiccicose" a cui potevano aderire i cerotti di particelle.
"Ciò significa che possiamo creare particelle che si attaccano solo ai cerotti, e poi possiamo programmarli in modo che solo tipi specifici di particelle si attacchino a quelle patch, " ha detto il coautore e professore di fisica della New York University David Pine. "Questo ci offre un'enorme flessibilità per progettare strutture tridimensionali".
I ricercatori hanno aggiunto che la specificità delle interazioni del DNA tra i cerotti significa che colloidi con proprietà diverse, come le dimensioni, colore, funzionalità chimica, o conducibilità elettrica, potrebbe portare alla produzione di nuovi materiali. Questi includono potenzialmente reti cablate elettricamente tridimensionali o cristalli fotonici per migliorare i display ottici di una gamma di prodotti di consumo e per migliorare la velocità dei chip dei computer.
