Usando solo la carica elettrostatica, le microparticelle comuni possono organizzarsi spontaneamente in materiali cristallini altamente ordinati, l'equivalente del sale da cucina o degli opali, secondo un nuovo studio condotto dai chimici della New York University e pubblicato su Natura .

"La nostra ricerca getta nuova luce sui processi di autoassemblaggio che potrebbero essere utilizzati per produrre nuovi materiali funzionali, " disse Stefano Sacanna, professore associato di chimica alla New York University e autore senior dello studio.

L'autoassemblaggio è un processo in cui minuscole particelle si riconoscono e si legano in modo predeterminato. Queste particelle si uniscono e si assemblano spontaneamente in qualcosa di utile, dopo un evento scatenante, o un cambiamento delle condizioni.

Un approccio alla programmazione delle particelle da assemblare in un modo particolare è rivestirle con filamenti di DNA; il codice genetico istruisce le particelle su come e dove legarsi tra loro. Però, perché questo approccio richiede una notevole quantità di DNA, può essere costoso ed è limitato alla realizzazione di campioni molto piccoli.

Nel loro studio in Natura , i ricercatori hanno adottato un approccio diverso all'autoassemblaggio utilizzando un metodo molto più semplice. Invece di usare il DNA, usavano la carica elettrostatica.

Il processo è simile a quello che accade quando mescoli il sale in una pentola d'acqua, ha spiegato Sacanna. Quando il sale viene aggiunto all'acqua, i minuscoli cristalli si dissolvono in ioni cloro con carica negativa e ioni sodio con carica positiva. Quando l'acqua evapora, le particelle cariche positivamente e negativamente si ricombinano in cristalli di sale.

"Invece di usare ioni atomici come quelli nel sale, abbiamo usato particelle colloidali, che sono migliaia di volte più grandi. Quando mescoliamo insieme le particelle colloidali nelle giuste condizioni, si comportano come ioni atomici e si autoassemblano in cristalli, " disse Sacanna.

Il processo consente di produrre grandi quantità di materiali.

"Utilizzando la carica superficiale naturale delle particelle, siamo riusciti a evitare di eseguire la chimica superficiale tipicamente richiesta per un assemblaggio così elaborato, permettendoci di creare facilmente grandi volumi di cristalli, " disse Theodore Hueckel, ricercatore postdottorato presso la NYU e primo autore dello studio.

Oltre a creare materiali colloidali simili al sale, i ricercatori hanno utilizzato l'autoassemblaggio per creare materiali colloidali che imitano le pietre preziose, in particolare, opali. Gli opali sono cangianti e colorati, un risultato della loro microstruttura cristallina interna e della sua interazione con la luce. Nel laboratorio, i ricercatori hanno creato le loro gemme in provetta con microstrutture interne molto simili agli opali.

"Se prendi un'immagine molto ingrandita di un opale, vedrai gli stessi minuscoli mattoncini sferici allineati in modo regolare, " ha aggiunto Hueckel.

L'uso della carica elettrostatica per l'autoassemblaggio consente ai ricercatori di imitare i materiali presenti in natura, ma presenta anche vantaggi oltre a ciò che si verifica in natura. Ad esempio, possono regolare le dimensioni e la forma delle particelle cariche positivamente e negativamente, che consente una vasta gamma di diverse strutture cristalline.

"Siamo ispirati dai cristalli ionici della natura, ma crediamo che andremo oltre la loro complessità strutturale utilizzando tutti gli elementi di design disponibili in modo univoco per i mattoni colloidali, ", ha detto Hueckel.