I materiali impossibili da ottenere con i metodi esistenti possono essere prodotti utilizzando un solido, solvente di silice nanostrutturato. Scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia hanno presentato un approccio innovativo alla produzione di sostanze con proprietà fisiche e chimiche uniche.

Un team di fisici di Cracovia (Polonia) è riuscito a sviluppare un metodo flessibile per produrre solidi, solventi di silice bidimensionali per produrre materiali con ottiche uniche, proprietà magnetiche e strutturali. Il termine "solvente solido" qui indica una sostanza che, quando immerso in una soluzione delle molecole appropriate, li lega alla sua superficie in proporzioni rigorosamente definite e in modo definito. Questo risultato è il lavoro di un team guidato dal Dr. Lukasz Laskowski dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia. I risultati dei tanti anni di lavoro del team sono stati appena presentati nel Rivista internazionale di scienze molecolari .

I nuovi materiali sono spesso prodotti depositando atomi specifici o molecole chimiche su un substrato adatto, come silice o carbonio. Il problema qui, però, controlla come si depositano le molecole. La difficoltà è facile da capire usando un semplice esempio. Prendi una palla di gomma, ricoprilo di colla e gettalo in alcune piume. Quando tiri fuori la palla, scopri che ci sono più piume in alcuni punti che in altri sulla sua superficie. La ragione di questa situazione è il fatto che non c'è controllo su come le singole piume si attaccano alla palla.

"Nell'ingegneria molecolare, la situazione è ancora più complicata, " dice il Dr. Laskowski e presenta il problema:"Supponiamo che dopo anni di ricerca tu sia riuscito a trovare un modo per controllare la distanza tra le piume attaccate alla palla di gomma. Cosa accadrebbe se improvvisamente avessimo bisogno di attaccarci non piume ma, diciamo, perle di vetro? Probabilmente dovresti cambiare la colla. Cambiare la colla e l'elemento incollato significherebbe che dovrebbero essere escogitati nuovi metodi per controllare la distanza tra gli elementi su cui incollare. Ancora, ciò richiederebbe diversi anni di ricerca, che non avrebbe necessariamente successo."

I fisici di Cracovia, finanziato dal Centro nazionale delle scienze polacco, deciso di risolvere il problema sopra descritto nel modo seguente. Invece di lottare con successive ricerche di nuovi metodi per depositare uniformemente tutti i tipi di ioni o particelle differenti sui vettori, hanno sviluppato un metodo per rivestire un substrato di silice con unità di ancoraggio. Qui, ogni ancoraggio molecolare è legato da un lato al substrato, mentre l'altro lato può catturare uno ione o una molecola di un tipo specifico dall'ambiente. Ciò che è particolarmente importante è che questo metodo consente di mantenere il controllo statistico sulla densità di distribuzione degli ancoraggi sulla superficie del supporto. Il problema della progettazione di nuovi materiali è stato così radicalmente semplificato. Attualmente, il suo punto più significativo è lo sviluppo relativamente semplice e veloce di un'ancora con un'estremità che attrae gli ioni o le molecole attualmente richiesti.

"Nel nostro metodo, il ruolo chiave del solvente solido è svolto dalle nanostrutture di silice. Li produciamo in condizioni tali che quando si formano, sono immediatamente coperti da una griglia regolare di unità di ancoraggio con una densità strettamente adeguata alle nostre esigenze attuali, " spiega la dott.ssa Magdalena Laskowska (IFJ PAN).

La capacità di controllare statisticamente la distanza tra gli ancoraggi, che esiste nella fase di produzione del solvente di silice, consente agli scienziati di selezionare con precisione la quantità di sostanza legata alla superficie delle particelle di silice. Allo stesso tempo, diventa possibile mantenere il controllo sulle interazioni delle molecole intrappolate dalle ancore e anche sul loro orientamento.

"Nei processi tradizionali per la produzione di nuovi materiali, le molecole di alcuni composti chimici possono depositarsi su una superficie in modo tale che la loro struttura molecolare cambi. Le molecole poi spesso perdono le loro proprietà e diventano praticamente inutili. Ciò accade quando le molecole si legano al substrato utilizzando frammenti che ne determinano le proprietà fisiche o chimiche. Però, possiamo prendere queste molecole indisciplinate e compattare il numero di ancore su un solvente solido in modo tale che le molecole, dopo il legame, hanno ancora aree attive e conservano la loro funzionalità originale, " spiega il dottorando Oleksandr Pastukh (IFJ PAN).

Quando un solvente di silice opportunamente preparato viene immerso in una soluzione con gli ioni/particelle bersaglio, le ancore sulla sua superficie le catturano e le legano, che porta spontaneamente alla presunta formazione della struttura molecolare. Il materiale appena formato ora deve semplicemente essere filtrato, lavato con un solvente per rimuovere lo sporco, ed essiccato.

La padronanza della tecnologia di produzione di solventi solidi con distribuzione dell'ancora controllata con precisione ha permesso ai ricercatori dell'IFJ PAN di invertire il processo tradizionale di progettazione e sintesi dei materiali. Invece di esaminare materiali già fabbricati per trovare applicazioni per loro, i ricercatori di Cracovia vengono prima a conoscere le esigenze attuali, Per esempio, in optoelettronica o fotonica, poi con questi in mente, progettare le proprietà del materiale, determinare la sua struttura molecolare, e infine sintetizzare una sostanza con esattamente le proprietà richieste. Durante la sintesi, un ruolo chiave è spesso svolto da un solvente solido, con cui è possibile controllare con straordinaria precisione le proporzioni tra le molecole che partecipano alla reazione.

"Una volta che il materiale è stato prodotto, lo testiamo per confrontare le sue effettive proprietà fisiche e chimiche con quelle richieste. Se ci sono discrepanze, ripetiamo la sintesi con parametri leggermente modificati. Se questo non aiuta, apportiamo modifiche in fase di progettazione molecolare, " Il dottorando Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) spiega in modo più dettagliato.

Il metodo che utilizza solvente di silice nanostrutturato è particolarmente interessante per la possibilità di produrre materiali con caratteristiche ottiche non lineari uniche, Per esempio, con una componente di luce di seconda o terza armonica sintonizzata con precisione (il che significa che l'onda luminosa in uscita dal materiale ha una frequenza doppia o triplicata rispetto all'onda incidente sul materiale). Si aprono interessanti applicazioni anche nel campo della medicina. Sta diventando possibile sviluppare nuovi materiali che consentirebbero alle molecole di mantenere le loro forti proprietà biocide quando aggiunte a otturazioni dentali o vernici.