Cioccolato vellutato, un farmaco medico migliore, o i pannelli solari richiedono tutti la stessa cosa:solo i cristalli giusti che compongono il materiale. Ora, gli scienziati che cercano di capire i percorsi che i cristalli prendono mentre si formano sono stati in grado di influenzare quel percorso modificando l'ingrediente di partenza.

Le intuizioni ottenute dai risultati, segnalato il 17 aprile in Materiali della natura , potrebbe eventualmente aiutare gli scienziati a controllare meglio la progettazione di una varietà di prodotti per le tecnologie energetiche o mediche.

"I risultati affrontano un dibattito in corso sui percorsi di cristallizzazione, " ha detto lo scienziato dei materiali Jim De Yoreo al Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy e all'Università di Washington. "Implicano che puoi controllare le varie fasi dell'assemblaggio dei materiali scegliendo con cura la struttura delle tue molecole di partenza".

Da floscio a rigido

Uno dei cristalli più semplici, i diamanti sono composti da un atomo:il carbonio. Ma nel mondo dei vivi, cristalli, come quelli formati dal burro di cacao nel cioccolato o quelli mal formati che causano l'anemia falciforme, sono costituiti da molecole lunghe e flosce e contengono una lunga sequenza ben definita di molti atomi. Possono cristallizzare in vari modi, ma solo un modo è il migliore. Nei prodotti farmaceutici, la differenza può significare un farmaco che funziona rispetto a uno che non funziona.

I chimici non hanno ancora abbastanza controllo sulla cristallizzazione per garantire la forma migliore, in parte perché i chimici non sono sicuri di come avvengano i primi passi nella cristallizzazione. Un particolare dibattito si è concentrato sul fatto che molecole complesse possano assemblarsi direttamente, con una molecola che si lega all'altra, come aggiungere una carta da gioco alla volta a un mazzo. Lo chiamano un processo in un solo passaggio, le regole matematiche per le quali gli scienziati hanno capito da tempo.

L'altro lato del dibattito sostiene che i cristalli richiedono due passaggi per formarsi. Gli esperimenti suggeriscono che le molecole iniziali formano prima un gruppo disordinato e poi, all'interno di quel gruppo, iniziare a riorganizzare in un cristallo, come se le carte dovessero essere prima mischiate in una pila prima di poter formare un mazzo. De Yoreo e i suoi colleghi volevano determinare se la cristallizzazione richiedesse sempre il passo disordinato, e se no, perchè no.

grumo, scatta e...

Fare così, gli scienziati hanno formato cristalli da una versione in qualche modo semplificata delle molecole definite in sequenza che si trovano in natura, una versione che chiamano peptoide. Il peptoide non era complicato, solo una serie di due subunità chimiche ripetute (pensa ad "ABABAB"), ma complesso perché era lungo una dozzina di subunità. In base alla sua natura chimica simmetrica, il team si aspettava che più molecole si unissero in una struttura più grande, come se fossero blocchi di Lego che si incastrano.

In una seconda serie di esperimenti, volevano testare come si assemblava una molecola leggermente più complicata. Così, il team ha aggiunto una molecola alla sequenza iniziale di ABABAB... che sporgeva come una coda. Le code si attraevano, e il team si aspettava che la loro associazione avrebbe causato l'aggregazione delle nuove molecole. Ma non erano sicuri di cosa sarebbe successo dopo.

I ricercatori hanno messo le molecole peptoidi in soluzioni per farle cristallizzare. Quindi il team ha utilizzato una varietà di tecniche analitiche per vedere quali forme hanno prodotto i peptoidi e quanto velocemente. Si scopre che i due peptoidi hanno formato cristalli in modi molto diversi.

Una coda di due passi

Come la maggior parte degli scienziati si aspettava, il peptoide più semplice formava cristalli iniziali di pochi nanometri che diventavano più lunghi e più alti man mano che le molecole di peptoide scattavano in posizione. Il semplice peptoide ha seguito tutte le regole di un processo di cristallizzazione in un'unica fase.

Ma spingere la coda nella mischia ha interrotto la calma, provocando una complessa serie di eventi prima che apparissero i cristalli. Globale, il team ha mostrato che questo peptoide più complicato si è prima aggregato in piccoli gruppi invisibili con le molecole più semplici.

Alcuni di questi cluster si sono insediati sulla superficie disponibile, dove sono rimasti immutati prima di convertirsi improvvisamente in cristalli e alla fine crescere negli stessi cristalli visti con il semplice peptoide. Questo comportamento era qualcosa di nuovo e richiedeva un modello matematico diverso per descriverlo, secondo i ricercatori. La comprensione delle nuove regole consentirà ai ricercatori di determinare il modo migliore per cristallizzare le molecole.

"Non ci aspettavamo che un cambiamento così piccolo facesse comportare i peptoidi in questo modo, " ha detto De Yoreo. "I risultati ci stanno facendo pensare al sistema in un modo nuovo, che crediamo porterà a un controllo più predittivo sulla progettazione e l'assemblaggio di materiali biomimetici".