Immagina di provare a costruire un edificio tipo Colosseo, inclusi archi, volte e sporgenze varie, rispettando due regole ferree:può essere utilizzato un solo tipo di mattone, e questi mattoni devono essere posizionati con precisione, uno contro l'altro, in una disposizione simmetrica. Non è consentito nemmeno un po' di mismatch. Nella migliore delle ipotesi, saresti in grado di erigere un grattacielo a camera. La natura ha leggi simili per la costruzione dei singoli cristalli.

Le regole per la formazione dei singoli, i cristalli molecolari sono così rigidi:devono essere a spigoli vivi, continuo, strutture a compartimento unico, che è inconcepibile immaginare che questi principi vengano infranti. Fino ad ora, questo è. I ricercatori del Weizmann Institute of Science sono riusciti a creare strutture che sono un completo paradosso:singole, cristalli continui che hanno più domini, una forma asimmetrica e linee curve; sono complessi come ci si potrebbe aspettare da una struttura "monumentale". Questa classe unica di materiali organici è stata recentemente segnalata in Comunicazioni sulla natura .Poiché la struttura cristallina svolge un ruolo fondamentale nel determinare le proprietà di un materiale, gli scienziati di Weizmann hanno in programma di indagare ulteriormente su queste nuove strutture e di applicare il loro speciale approccio di assemblaggio a diversi tipi di "mattoni molecolari" che possono aiutare a creare materiali cristallini altamente versatili.

Facciamo il twist

Ci sono molte questioni aperte nell'ingegneria del cristallo, sebbene alcuni risalgano al lavoro di Louis Pasteur nel XIX secolo, ad esempio, come controllare la crescita dei cristalli in modo che abbiano una dimensione e una forma uniformi, o come controllare la chiralità. Le molecole chirali sono identiche nella loro composizione ma si presentano in due forme speculari che, come mani, appaiono nelle versioni "sinistra" o "destra" che non possono essere sovrapposte. Le formazioni cristalline chirali possono essere elicoidali, a spirale in senso orario o antiorario, a seconda della "mano di mano" delle molecole.

scienziati dell'Istituto Weizmann, guidato dalla dottoranda italiana post-dottorato Dott.ssa Maria Chiara di Gregorio, Senior Staff Scientist Dr. Michal Lahav e Prof. Milko van der Boom, tutto il Dipartimento di Chimica Organica, hanno toccato queste domande. Negli anni, hanno perfezionato il loro metodo per creare cristalli singoli dall'aspetto molto complesso, e ora hanno aggiunto una svolta, letteralmente. Le strutture di cristallo che hanno creato hanno la forma di uno yo-yo, con le due metà che girano a spirale in direzioni opposte; sopra questa struttura, l'aspetto dei due dischi stessi è simile a un fiore, con numerosi "petali" chirali che crescono attorno ad uno "stigma" al centro. "Questo è sorprendente, poiché i "mattoni" sono tutti simmetrici, molecole non chirali, " dice di Gregorio. "L'aspetto simile a un petalo suggerisce che queste 'dovrebbero essere' strutture policristalline, cioè, in possesso di più 'camere' – piuttosto che di singoli cristalli."

Per capire come questo petalo, struttura chirale derivata da molecole non chirali, gli scienziati hanno utilizzato diverse tecniche per esaminare i cristalli a tre diversi livelli:il livello morfologico (forma 3-D), il livello molecolare, e poi a un livello intermedio:la distribuzione della densità elettronica.

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione, sono stati in grado di ricostruire quattro fasi di crescita dei cristalli che potrebbero essere definite a livello morfologico. "Cuocere" molecole organiche insieme ad atomi di metallo in soluzione alla giusta temperatura produce forme informi, strutture cilindriche non chirali. Questi sono i "boccioli di fiori" che, nelle fasi successive, trasformarsi in oggetti chirali. Prima si sviluppano in due strutture esagonali attorcigliate, e i petali iniziano quindi a crescere e si dispongono asimmetricamente sulla superficie superiore dei due esagoni in modo simile a un'elica, assumendo un senso orario o antiorario. Nella fase finale, i cristalli si sviluppano nella struttura yo-yo ben definita, con i suoi molteplici domini che gli conferiscono un aspetto simile a un fiore.

Indagando ulteriormente sulla struttura utilizzando la micro tomografia computerizzata (micro-CT), un metodo non convenzionale nell'analisi 3-D dei cristalli metallo-organici, gli scienziati hanno rivelato dettagli nascosti dal livello di distribuzione della densità elettronica "intermedia". Infatti, le misurazioni rivelano un unico motivo a spirale continuo che attraversa l'intera struttura da una base all'altra, suggerendo che, nonostante la forma complessa, è un singolo cristallo chirale.

A livello molecolare, Raggi X applicati dalla Dott.ssa Linda Shimon del Dipartimento di Supporto alla Ricerca Chimica, ha mostrato chiaramente la struttura cristallina e ha fornito prove conclusive per la composizione del singolo cristallo del complesso yo-yo. I modelli a raggi X hanno anche rivelato "scale a chiocciola":porose, canali chirali che si estendono attraverso l'intera struttura dall'alto verso il basso.

Questi cristalli contorti erano così contrari alla natura che i ricercatori hanno fatto confermare la struttura in modo indipendente da un cristallografo di New York.

Mettere in pratica i cristalli ritrovati

"Questi risultati sono entusiasmanti a livello fondamentale, poiché siamo riusciti a creare una classe di materiale completamente unica, " dice van der Boom. I risultati potrebbero trovare applicazioni, Aggiunge, nella progettazione di nuovi materiali porosi, ad esempio per lo stoccaggio di combustibili ecologici come l'idrogeno, o per catturare l'anidride carbonica dall'atmosfera. E potrebbero anche essere usati per migliorare la catalisi in vari processi chimici.