Il processo di cristallizzazione, in cui atomi o molecole si allineano in schiere ordinate come soldati in formazione, è la base per molti dei materiali che definiscono la vita moderna, compreso il silicio nei microchip e nelle celle solari. Ma mentre molte applicazioni utili per i cristalli implicano la loro crescita su superfici solide (piuttosto che in soluzione), c'è stata una carenza di buoni strumenti per studiare questo tipo di crescita.

Ora, un team di ricercatori del MIT e Draper ha trovato un modo per riprodurre la crescita dei cristalli sulle superfici, ma su una scala più ampia che rende il processo molto più facile da studiare e analizzare. Il nuovo approccio è descritto in un articolo sulla rivista Materiali della natura , di Robert Macfarlane e Leonardo Zomberg al MIT, e Diana Lewis Ph.D. '19 e David Carter a Draper.

Piuttosto che assemblare questi cristalli da atomi reali, la chiave per rendere il processo facile da osservare e quantificare era l'uso di "equivalenti atomici programmabili, " o PAE, spiega Macfarlane. Funziona perché il modo in cui gli atomi si allineano nei reticoli cristallini è interamente una questione di geometria e non si basa sulle proprietà chimiche o elettroniche specifiche dei suoi costituenti.

Il team ha utilizzato nanoparticelle sferiche d'oro, rivestito con singoli filamenti appositamente selezionati di DNA geneticamente modificato, dando alle particelle grosso modo l'aspetto di palline di Koosh. I singoli filamenti di DNA hanno la proprietà intrinseca di attaccarsi strettamente ai corrispondenti filamenti reciproci, per formare la classica doppia elica, quindi questa configurazione fornisce un modo sicuro per far sì che le particelle si allineino esattamente nel modo desiderato.

"Se metto un pennello molto denso di DNA sulla particella, farà quanti più legami possibile con quanti più vicini possibile, " dice Macfarlane. "E se progetti tutto in modo appropriato e lo elabori correttamente, formeranno strutture cristalline ordinate." Sebbene questo processo sia noto da alcuni anni, questo lavoro è il primo ad applicare quel principio per studiare la crescita dei cristalli sulle superfici.

"Capire come i cristalli crescono verso l'alto da una superficie è incredibilmente importante per molti campi diversi, " dice. L'industria dei semiconduttori, Per esempio, si basa sulla crescita di grandi materiali monocristallini o multicristallini che devono essere controllati con grande precisione, tuttavia i dettagli del processo sono difficili da studiare. Ecco perché l'uso di analoghi sovradimensionati come i PAE può essere di tale beneficio.

I PAE, lui dice, "cristallizzano esattamente negli stessi percorsi che fanno le molecole e gli atomi. E quindi sono un ottimo sistema proxy per capire come avviene la cristallizzazione". Con questo sistema, le proprietà del DNA determinano il modo in cui le particelle si assemblano e la configurazione 3D in cui finiscono.

Hanno progettato il sistema in modo tale che i cristalli nucleano e crescano a partire da una superficie e "adattando le interazioni sia tra le particelle, sia e tra le particelle e la superficie rivestita di DNA, possiamo dettare le dimensioni, la forma, l'orientamento e il grado di anisotropia (direzionalità) nel cristallo, "dice Macfarlane.

"Capendo il processo che sta attraversando per formare effettivamente questi cristalli, possiamo potenzialmente usarlo per comprendere i processi di cristallizzazione in generale, " Aggiunge.

Spiega che non solo le strutture cristalline risultanti sono circa 100 volte più grandi di quelle atomiche reali, ma anche i loro processi di formazione sono molto più lenti. La combinazione rende il processo molto più facile da analizzare in dettaglio. I metodi precedenti per caratterizzare tali strutture cristalline mostravano solo i loro stati finali, mancano così le complessità del processo formativo.

"Potrei cambiare la sequenza del DNA. Posso cambiare il numero di filamenti di DNA nella particella. Posso cambiare la dimensione della particella e posso modificare ciascuna di queste singole maniglie in modo indipendente, " dice Macfarlane. "Quindi, se volessi essere in grado di dire, OK, Ipotizzo che questa particolare struttura potrebbe essere favorita in queste condizioni se sintonizzassi l'energia in modo tale, questo è un sistema molto più facile da studiare con i PAE di quanto lo sarebbe con gli atomi stessi".

Il sistema è molto efficace, lui dice, ma i filamenti di DNA modificati in modo da consentire l'adesione alle nanoparticelle possono essere piuttosto costosi. Come passo successivo, il laboratorio Macfarlane ha anche sviluppato blocchi di costruzione a base di polimeri che mostrano risultati promettenti nella replica di questi stessi processi e materiali di cristallizzazione, ma può essere realizzato a buon mercato su una scala multigrammo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.