La strana classe di materiali noti come quasicristalli ha un nuovo membro. In un articolo pubblicato giovedì, 20 dicembre in Scienza , i ricercatori della Brown University descrivono un superreticolo quasicristallino che si autoassembla da un singolo tipo di blocchi di nanoparticelle.

Questa è la prima osservazione definitiva di un superreticolo quasicristallino formato da un singolo componente, dicono i ricercatori. La scoperta fornisce nuove informazioni su come possono emergere queste strane strutture simili a cristalli.

"I reticoli quasicristallini monocomponenti sono stati previsti matematicamente e in simulazioni al computer, ma non era stato dimostrato prima di questo, " disse Ou Chen, un assistente professore di chimica alla Brown e autore senior del documento. "È un tipo fondamentalmente nuovo di quasicristallo, e siamo stati in grado di capire le regole per farlo, che sarà utile nello studio continuo delle strutture quasicristalline."

I materiali quasicristallini furono scoperti per la prima volta negli anni '80 dal chimico Dan Shechtman, che nel 2011 è stato insignito del Premio Nobel per la scoperta. A differenza dei cristalli, che consistono in schemi ordinati che si ripetono, i quasicristalli sono ordinati ma i loro schemi non si ripetono. I quasicristalli hanno anche simmetrie che non sono possibili nei cristalli tradizionali. Cristalli normali, Per esempio, può avere simmetrie triplici che emergono da triangoli ripetuti o simmetria quadrupla da cubi ripetuti. Sono possibili anche simmetrie di due e sei volte. Ma i quasicristalli possono avere cinque esotici, simmetrie di 10 o 12 volte, tutto ciò è "proibito" nei cristalli normali.

I primi materiali quasicristallini scoperti erano leghe metalliche, solitamente alluminio con uno o più altri metalli. Finora, questi materiali hanno trovato impiego come rivestimenti antiaderenti per padelle e rivestimenti anticorrosivi per apparecchiature chirurgiche. Ma c'è stato molto interesse nella creazione di nuovi tipi di materiali quasicristallini, compresi i materiali realizzati con nanoparticelle autoassemblanti.

Chen e i suoi colleghi non si erano inizialmente proposti di ricercare i quasicristalli. Gran parte del lavoro di Chen ha riguardato il colmare il divario tra i mondi su nanoscala e macroscala costruendo sovrastrutture con blocchi di nanoparticelle. Circa due anni fa, ha progettato un nuovo tipo di elemento costitutivo di nanoparticelle:un punto quantico tetraedrico (a forma di piramide). Considerando che la maggior parte della ricerca sulle strutture edilizie da nanoparticelle è stata condotta con particelle sferiche, I tetraedri di Chen possono impacchettarsi più strettamente e potenzialmente formare strutture più complesse e robuste.

Un'altra caratteristica fondamentale delle particelle di Chen è che sono anisotrope, il che significa che hanno proprietà diverse a seconda del loro orientamento l'uno rispetto all'altro. Una faccia di ogni particella piramidale ha un ligando diverso (un agente legante) rispetto a tutte le altre facce. Facce con ligandi simili tendono a legarsi tra loro quando le particelle si assemblano in strutture più grandi. Quel legame diretto rende le strutture più interessanti e complesse rispetto alle particelle prive di anisotropia.

In una ricerca pubblicata di recente sulla rivista Natura , Chen e il suo team hanno dimostrato una delle sovrastrutture più complesse create fino ad oggi da blocchi di nanoparticelle. In quel lavoro, le sovrastrutture sono state assemblate mentre le particelle interagiscono con un substrato solido. Per questo ultimo lavoro, Chen e i suoi colleghi volevano vedere che tipo di strutture avrebbero creato le particelle quando assemblate su una superficie liquida, che conferisce alle particelle più gradi di libertà durante l'assemblaggio.

Il team è rimasto scioccato nello scoprire che la struttura risultante era in realtà un reticolo quasi cristallino.

"Quando ho capito che lo schema che stavo vedendo era un quasicristallo, Ho mandato un'e-mail a Ou e ho detto 'Penso di aver trovato qualcosa di super fantastico, '", ha detto Yasutaka Nagaoka, uno studioso postdottorato nel laboratorio di Chen e l'autore principale del nuovo articolo. "È stato davvero emozionante."

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, i ricercatori hanno mostrato le particelle assemblate in decagoni discreti (poligoni a 10 lati), che si sono ricuciti insieme per formare un reticolo quasi cristallino con simmetria rotazionale di 10 volte. Quella simmetria di 10 volte, proibito in cristalli regolari, era un segno rivelatore di una struttura quasicristallina.

I ricercatori sono stati anche in grado di indovinare le "regole" con cui si è formata la loro struttura. Mentre i decagoni sono le unità primarie della struttura, non sono, e non possono essere, le uniche unità della struttura. Formare un quasicristallo è un po' come piastrellare un pavimento. Le piastrelle devono combaciare in modo da coprire l'intero pavimento senza lasciare spazi vuoti. Questo non può essere fatto usando solo decagoni perché non c'è modo di farli combaciare che non lasci spazi vuoti. Altre forme sono necessarie per riempire i buchi.

Lo stesso vale per questa nuova struttura quasi cristallina:richiedono "tessere" secondarie in grado di riempire gli spazi tra i decagoni. I ricercatori hanno scoperto che ciò che ha permesso alla loro struttura di funzionare è che i decagoni hanno bordi flessibili. Quando necessario, uno o più dei loro punti potrebbero essere appiattiti. Facendo ciò, potrebbero trasformarsi in poligoni con nove, otto, Sette, sei o cinque lati, qualunque cosa fosse necessaria per riempire lo spazio tra i decagoni.

"Questi decagoni sono in questo spazio ristretto che devono condividere pacificamente, " Disse Chen. "Così lo fanno rendendo flessibili i loro bordi quando ne hanno bisogno."

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen says, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, chimica, mathematics and even art and design, " disse Chen.