La tecnologia si sta riducendo, il che è una buona notizia.

La capacità di fabbricare materiali con ottica, proprietà elettriche e meccaniche di particelle molto piccole potrebbero avere applicazioni di vasta portata. Per esempio, le microparticelle innestate di DNA possono essere utilizzate in medicina per un migliore rilevamento, imaging e consegna del trattamento. Una migliore comprensione di come si comportano questi materiali potrebbe portare a mantenere la promessa della medicina di precisione, tra le altre applicazioni.

C'è ancora molto da imparare su come dirigere al meglio la fabbricazione di questi micro-materiali. Il processo di autoassemblaggio delle microparticelle funzionalizzate dal DNA porta alla cristallizzazione, cioè., atomi e molecole che si trasformano in una forma altamente strutturata chiamata cristallo. La cristallizzazione inizia con la nucleazione, il processo mediante il quale atomi o molecole si raggruppano insieme su scala microscopica. Se i cluster diventano stabili e abbastanza grandi, può verificarsi la crescita dei cristalli. Atomi e composti possono generalmente formare più di una struttura cristallina, chiamato polimorfismo. La disposizione delle particelle è determinata durante le prime fasi della cristallizzazione.

Secondo Jeetain Mittal, professore di ingegneria chimica e biomolecolare alla Lehigh University, le trasformazioni strutturali che comportano il potenziale di polimorfismo durante la cristallizzazione sono state convenzionalmente attribuite a effetti cinetici, o il tasso di nucleazione, prevedere quali strutture possono essere osservate quando si formano i cristalli. Questo è in linea con la teoria della nucleazione classica.

Ora, Mittal e il suo team hanno dimostrato che gli effetti cinetici potrebbero non essere in grado di spiegare completamente la trasformazione strutturale in tutte le situazioni polimorfiche e che la termodinamica superficiale, correlata alla dimensione dei cristalliti rispetto alla velocità, può essere fondamentale per guidare le trasformazioni tra le strutture cristalline. Il team ha trovato un nuovo percorso per la trasformazione strutturale dal reticolo quadrato a quello esagonale durante la crescita dei cristalli, che è guidata dalla termodinamica.

In molti sistemi precedenti, secondo Mittal, i cristalliti che mostrano polimorfismo strutturale sono stati attribuiti a effetti cinetici, correlata alla velocità di nucleazione. Nel loro lavoro, Mittal e i suoi collaboratori forniscono calcoli solidi per dimostrare che la trasformazione strutturale può essere interamente termodinamica, in contrasto con l'argomento cinetico, sia dal punto di vista teorico che computazionale. Ulteriore, una trasformazione strutturale simile viene osservata in un sistema modellato più dettagliato utilizzando un modello a grana grossa che rappresenta la particella funzionalizzato di DNA. Questa è una forte evidenza che tali trasformazioni strutturali possono essere molto più generali e possono essere collegate a sistemi più realistici.

"Comprendere il processo di cristallizzazione è particolarmente importante per controllare e prevedere la struttura prodotta, " dice Runfang Mao, un attuale dottorato di ricerca a Lehigh. studente e coautore dell'articolo. "Anche se utile in molti casi, si ritiene che la teoria della nucleazione classica non sia valida in molti sistemi. Mostriamo che tale trasformazione strutturale dipendente dalle dimensioni è una di quelle eccezioni, e che è guidato dalle proprietà termodinamiche dei cristalliti di dimensioni finite. Per quello che ci risulta, tale trasformazione strutturale dipendente dalle dimensioni non è stata chiaramente illustrata altrove in letteratura".

I loro risultati sono stati pubblicati oggi in Progressi scientifici nell'articolo "Selezione strutturale termodinamica dipendente dalle dimensioni nella cristallizzazione colloidale". Oltre a Mittal e Mao, autori includono Evan Pretti, Hasan Zerze, Minseok Song e Yajun Ding, tutti attuali o ex studenti del P.C. di Lehigh. Rossin College di Ingegneria e Scienze Applicate.

Mittal e il suo team hanno studiato come particolari miscele di colloidi con filamenti di DNA legati alle loro superfici si cristallizzano in reticoli bidimensionali mentre i colloidi interagiscono tra loro. Cristallizzazione, come spiega Pretti, inizia da piccoli ammassi di particelle che crescono e si aggregano, e a determinate condizioni, questi cristalliti possono iniziare in una struttura cristallina e trasformarsi in un'altra con il passare del tempo.

"Troviamo che, per il nostro sistema, queste trasformazioni possono essere spiegate in base a come le relative stabilità termodinamiche delle diverse strutture sono influenzate dalle dimensioni dei cristalliti, "dice Pretti. "In particolare, per cristalliti abbastanza piccoli, la termodinamica delle superfici diventa così importante da poter influenzare la struttura, che innesca le trasformazioni osservate durante l'autoassemblaggio."

Secondo Mittal, questi sistemi DNA-funzionalizzati sono di particolare interesse nel campo dell'assemblaggio colloidale, a causa della grande flessibilità e varietà di possibilità offerte dall'utilizzo di diversi tipi di particelle e sequenze di DNA. I loro risultati, però, non si limitano solo a tali sistemi, ma potrebbe fornire una maggiore comprensione di come altri tipi di processi di cristallizzazione funzionano e possono essere controllati.

Il team ha iniziato a utilizzare simulazioni di dinamica molecolare standard per capire come si comportava il loro sistema. Per dimostrare che le trasformazioni che stavano vedendo erano di origine termodinamica, hanno adottato un metodo esistente utilizzato per calcolare le stabilità termodinamiche relative dei solidi cristallini periodici, e lo modificò in modo che potessero analizzare i loro cristalliti di dimensioni finite.

"Abbiamo identificato una trasformazione strutturale che è reversibile e può essere spiegata usando solo la termodinamica degli stessi cristalli di dimensioni finite, " afferma Mittal. "Il nostro lavoro può fornire un nuovo modo di osservare e spiegare le trasformazioni nei sistemi di particelle funzionalizzate dal DNA e potenzialmente anche in altri tipi di cristalli".