I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e della Northwestern University hanno permesso di osservare e simulare l'autoassemblaggio di materiali cristallini a una risoluzione molto più elevata rispetto a prima.

Utilizzando la modellazione al computer e una tecnica di imaging chiamata microscopia elettronica in fase liquida, il team ha individuato i movimenti individuali di minuscole particelle su nanoscala mentre si orientano nei reticoli cristallini. Il lavoro conferma che le nanoparticelle sintetiche, i mattoni fondamentali di molti materiali sintetici e biologici, possono assemblarsi in modi molto più complessi delle particelle più grandi, i ricercatori hanno detto, e apre la strada ad applicazioni più generali per la mineralizzazione, prodotti farmaceutici, ottica ed elettronica.

Il nuovo studio, guidato da Qian Chen, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università di I., ed Erik Luijten, un professore della Northwestern di scienze e ingegneria dei materiali e di scienze ingegneristiche e matematica applicata, è pubblicato sulla rivista Materiali della natura .

"L'imaging e la modellazione vengono eseguiti di routine per particelle di dimensioni di circa 1 micrometro, " disse Luijten, che ha guidato la parte di modellazione computazionale dello studio. "Qui, abbiamo nuove tecniche sviluppate che possono farlo per particelle di dimensioni 100 nanometri, 10 volte più piccole di prima".

Poiché le nanoparticelle sono molto piccole e interagiscono in soluzioni liquide, verificare i loro percorsi di cristallizzazione attraverso l'osservazione diretta non era possibile prima della microscopia elettronica in fase liquida, disse Chen, che ha condotto la parte sperimentale dello studio.

Il team di Chen ha eseguito esperimenti di laboratorio utilizzando minuscoli prismi d'oro in un fluido, osservando da vicino come le particelle iniziassero a interagire tra loro.

"Le particelle iniziano ad accumularsi e formano colonne, ma lo fanno in modo disallineato prima di impacchettarsi saldamente e cristallizzarsi in cristalli ordinati, " disse Zihao Ou, uno studente laureato della U. of I. e coautore di studi.

"Quello che abbiamo osservato è una fase amorfa intermedia che si verifica lungo il percorso di cristallizzazione delle nanoparticelle, qualcosa che non si era visto prima di questo lavoro, " disse Chen.

Però, ci sono dettagli sui percorsi di cristallizzazione che non possono essere misurati solo con l'imaging, hanno detto i ricercatori.

"Le nostre simulazioni al computer, sviluppato dallo studente laureato della Northwestern University Ziwei Wang, ci permettono di risolvere i dettagli delle forze trainanti fondamentali dietro il movimento e la cristallizzazione delle nanoparticelle, " Ha detto Luijten. "Si scopre che la casualità nell'orientamento delle particelle porta a un diverso tipo di cristallizzazione su scale di lunghezza maggiore. Questa è una nozione suggerita dai dati sperimentali, ma erano davvero necessarie simulazioni per confermare questo principio".

I ricercatori prevedono una vasta gamma di applicazioni per questo sviluppo, dalla comprensione di come le proteine ​​si autoassemblano alla fisica su scala nanometrica alla base dei nuovi materiali delle batterie, Per esempio.

"Gli scienziati vogliono sapere come controllare la sintesi dei materiali cristallini in modo da poter progettare nuovi materiali, " ha detto Binbin Luo, uno studente laureato della U. of I. e coautore di studi. "Capire esattamente come avviene questo processo è essenziale per quel controllo".