Molte conchiglie, minerali, e i nanomateriali semiconduttori sono costituiti da cristalli più piccoli, che sono assemblati insieme come i pezzi di un puzzle. Ora, i ricercatori hanno misurato le forze che causano l'assemblaggio dei cristalli, rivelando un'orchestra di fattori in competizione che i ricercatori potrebbero essere in grado di controllare.

Il lavoro ha una varietà di implicazioni sia nella scoperta che nella scienza applicata. Oltre a fornire informazioni sulla formazione di minerali e nanomateriali semiconduttori, potrebbe anche aiutare gli scienziati a comprendere il suolo mentre si espande e si contrae attraverso i cicli di bagnatura e asciugatura. In ambito applicato, i ricercatori potrebbero utilizzare i principi per sviluppare nuovi materiali con proprietà uniche per il fabbisogno energetico.

I risultati, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze nel mese di luglio, descrivere come la disposizione degli atomi nei cristalli crea forze che li uniscono e li allineano per l'aggancio. Lo studio rivela come l'attrazione diventi più forte o più debole quando l'acqua viene riscaldata o viene aggiunto sale, entrambi i quali sono processi comuni nel mondo naturale.

La squadra multinazionale, guidato dai chimici Dongsheng Li e Jaehun Chun del Dipartimento dell'Energia del Pacific Northwest National Laboratory, esplorato le forze attrattive tra due particelle di cristallo fatte di mica. Un minerale traballante comunemente usato nell'isolamento elettrico, questo minerale a base di silicio è ben studiato e facile da lavorare perché si scheggia in pezzi piatti con superfici di cristallo quasi perfette.

Forze e volti

La cristallizzazione avviene spesso attraverso l'assemblaggio di elementi costitutivi sfaccettati:alcune facce su questi cristalli più piccoli si allineano meglio con altre, come fanno i mattoncini Lego. Li e Chun hanno studiato uno specifico processo di cristallizzazione chiamato attaccamento orientato. Tra le altre caratteristiche distintive, l'attaccamento orientato si verifica quando subunità più piccole di cristalli nascenti allineano le loro migliori facce corrispondenti prima di fare clic insieme.

Il processo crea varie forme non lineari:nanofili con rami, reticoli che sembrano favi complicati, e tetrapodi:minuscole strutture che sembrano jack giocattolo a quattro braccia. Le forze molecolari che contribuiscono a questo autoassemblaggio non sono ben comprese.

Le forze molecolari che entrano in gioco possono attrarre o respingere i minuscoli mattoni di cristallo l'uno verso l'altro. Questi includono una varietà di forze da manuale come van der Waals, legame idrogeno, ed elettrostatico, tra gli altri.

Per esplorare le forze, Li, Chun e colleghi hanno fresato facce piatte su minuscole lastre di mica e le hanno messe su un dispositivo che misura l'attrazione tra due pezzi. Quindi hanno misurato l'attrazione mentre ruotavano le facce l'una rispetto all'altra. L'esperimento ha permesso di bagnare la mica in un liquido che include diversi sali, permettendo loro di testare scenari del mondo reale.

La differenza in questo lavoro è stata la configurazione del liquido. Esperimenti simili di altri ricercatori sono stati fatti a secco sotto vuoto; in questo lavoro, il liquido ha creato condizioni che simulano meglio come si formano i cristalli reali in natura e nei grandi metodi industriali. Il team ha eseguito alcuni di questi esperimenti presso l'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, un DOE Office of Science User Facility presso PNNL.

Twist e sale

Una delle prime cose che il team ha scoperto è stata che l'attrazione tra due pezzi di mica si alzava e si abbassava mentre le facce si contorcevano l'una rispetto all'altra, come quando si cerca di fare un panino con due calamite piatte da frigorifero (continua, Provalo). Infatti, l'attrazione saliva e scendeva ogni 60 gradi, corrispondente all'architettura interna del minerale, che è quasi esagonale come una cella a nido d'ape.

Sebbene altri ricercatori più di un decennio fa avessero previsto che questa attrazione ciclica si sarebbe verificata, questa è la prima volta che gli scienziati hanno misurato le forze. Conoscere la forza delle forze è la chiave per manipolare la cristallizzazione in un ambiente di ricerca o industriale.

Ma anche altre cose erano in fermento nel mica faccia a faccia. Tra le due superfici, l'ambiente liquido ospitava ioni caricati elettricamente dai sali, elementi normali trovati durante la cristallizzazione in natura. L'acqua e gli ioni formavano uno strato alquanto stabile tra le superfici che le manteneva in parte separate. E mentre si muovevano l'uno verso l'altro, le due superfici di mica si fermarono lì, equilibrato tra attrazione molecolare e repulsione da parte dell'acqua e degli ioni.

Il team ha anche scoperto di poter manipolare la forza di quell'attrazione cambiando il tipo di ioni, la loro concentrazione, e la temperatura. Diversi tipi di ioni e le loro concentrazioni hanno modificato la repulsione elettrostatica tra le superfici di mica. La dimensione degli ioni e il numero di cariche che trasportavano creavano anche più o meno spazio all'interno dello strato di interferenza.

Infine, temperature più elevate aumentavano la forza di attrazione, contrariamente a come si comporta la temperatura in modo più semplice, scenari meno complessi. I ricercatori hanno costruito un modello delle forze in competizione che includeva van der Waals, elettrostatico, e forze di idratazione.

Nel futuro, dicono i ricercatori, i principi tratti da questo studio possono essere applicati ad altri materiali, che verrebbe calcolato per il materiale di interesse. Per esempio, manipolare l'attrazione potrebbe consentire ai ricercatori di costruire cristalli personalizzati di dimensioni e forme desiderate e con proprietà uniche. Globale, il lavoro fornisce approfondimenti sulla crescita dei cristalli attraverso l'assemblaggio di nanoparticelle in materiali sintetici, biologico, e ambienti geochimici.