La natura fornisce una miriade di esempi di materiali e strutture unici sviluppati per applicazioni o adattamenti specializzati. Un gruppo interdisciplinare di ricercatori dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta cercando di svelare i segreti che gli organismi usano per costruire strutture così complesse in modo che l'energia possa essere utilizzata per creare materiali che non si trovano in natura e non possono essere sintetizzati con mezzi convenzionali.

"La natura ha molti esempi di queste strutture gerarchiche e di solito sono materiali compositi organico-inorganici, " disse Surya Mallapragada, Scienziato di Ames Laboratory e Carol Vohs Johnson Chair della Iowa State University in ingegneria chimica e biologica. "Uno scheletro di spugna di mare di vetro è un perfetto esempio di queste strutture modellate dalla fase organica. Hai nanocristalli inorganici che si formano ed è un processo di assemblaggio multiscala, che nella maggior parte dei casi avviene a temperature e condizioni miti, come il pH."

"Quindi guardiamo alla natura come fonte di ispirazione e come fonte di biomolecole per vedere come possiamo ricreare alcuni di quei processi che creano questi meravigliosi materiali con assemblaggi gerarchici o struttura uniforme, " ha detto della ricerca che è finanziata dal DOE-BES Biomolecular Materials Program.

Finora, Il team di Mallapragada è stato in grado di replicare la creazione di magnetite studiando i batteri magnetotattici. Questi batteri formano nanocristalli magnetici o catene di nanocristalli che usano per orientarsi con il campo magnetico terrestre. Utilizzando modelli polimerici autoassemblanti e proteine ​​dai batteri, i ricercatori sono stati in grado di coltivare cristalli di magnetite.

"Abbiamo utilizzato con successo questo approccio per coltivare nanocristalli di magnetite, "Mallapragada ha detto, "ma siamo andati oltre, utilizzando queste tecniche per creare ferrite di cobalto e altri nanocristalli magnetici che non si trovano in natura. Questo è un ottimo esempio di sintesi basata su modelli."

Il gruppo ha anche lavorato con il fosfato di calcio per cercare di imitare la forza leggera che si trova nelle ossa.

"In alcuni casi, dobbiamo trovare analoghi sintetici che possano fare lo stesso lavoro, ma sono più robusti, "Mallapragada ha detto. "In molti casi, le biomolecole non sono così robuste. Le proteine ​​sono molecole fragili quindi se possiamo farlo con polimeri sintetici, questo ci dà molta più flessibilità."

Una cosa è creare nanocristalli. Ottenere quei nanocristalli per organizzare e formare microstrutture e quindi strutture su macroscala è qualcosa di completamente diverso.

"Non sono al livello di complessità che vediamo in natura:questo è il Santo Graal, "Mallapragada ha spiegato, "ma questa è l'ispirazione e stiamo cercando di arrivarci con approcci sintetici".

L'ultimo obiettivo per sfruttare questo processo di costruzione naturale è la creazione di metamateriali, materiali cosiddetti mancini che hanno proprietà ottiche interessanti che non si trovano in natura.

"Stiamo cercando di utilizzare modelli organici per assemblare particelle inorganiche per ottenere le proprietà desiderate, " Mallapragada. "Abbiamo una collaborazione molto forte con i fisici del Laboratorio Ames Costas Soukoulis e Thomas Koschny, e hanno fatto un lavoro meraviglioso con simulazioni e previsioni di strutture e hanno sviluppato alcune strutture litografiche, ma quelli sono solo 2-D. Quindi è davvero un caso perfetto per utilizzare questi approcci bioispirati per autoassemblare questi metamateriali in strutture 3D".

Mallapragada indica ancora una volta la spugna di mare di vetro per il tipo di assemblaggio multiscala necessario per costruire metamateriali 3D.

"La spugna di mare ha un ordine su più scale:nanoscala, micron scala, scala millimetrica. È un assemblaggio multiscala—sembra la torre Eiffel—ed è per questo che ha un ottimo rapporto resistenza/peso, " ha detto. "Quindi abbiamo bisogno di una gerarchia simile. Definire le forme su scala nanometrica, ma poi avere una disposizione ordinata di questi oggetti su nanoscala in 2-D e poi in 3-D per ottenere le proprietà desiderate".

Oltre all'utilizzo di polimeri autoassemblanti, che forniscono ordine a lungo raggio, Il DNA è stato utilizzato anche perché consente specificità nel posizionamento delle nanoparticelle. Per creare metamateriali, il team sta esaminando l'utilizzo di entrambi per controllare il posizionamento delle nanoparticelle d'oro in uno schema specifico, costruire strati e quindi applicare un rivestimento in pellicola d'oro all'intera struttura per acquisire le proprietà desiderate.

"Ci vuole un approccio molto interdisciplinare, " ha detto Mallapragada. "Abbiamo biologi molecolari (Marit Nilsen-Hamilton) per il lato del DNA, chimici dei materiali (Mallapragada) per la sintesi dei polimeri, Soukoulis e Koschny per la previsione teorica delle strutture e (il fisico) Alex Travesset per modellare i tipi di strutture che possiamo ottenere".

"Abbiamo bisogno di una buona caratterizzazione, quindi David Vaknin sta esaminando i metodi di dispersione e Tanya Prozorov ha svolto un lavoro di microscopia elettronica a trasmissione, " ha continuato. "Andy Hillier (ingegnere chimico/biologico) è stato coinvolto nella metallizzazione, applicando il film continuo d'oro su quei modelli nano strutturati. Quindi è un multilivello, multi-passo, processo sintetico multicomponente."

Madre Natura dovrebbe essere lusingata!