Come due magneti tirati l'uno verso l'altro, minuscoli cristalli si attorcigliano, allinearsi e sbattersi l'uno contro l'altro, ma a causa di una forza del tutto diversa. Per la prima volta, i ricercatori hanno misurato la forza che li unisce e visualizzato come ruotano e si allineano.

Chiamate forze di van der Waals, l'attrazione fornisce approfondimenti su come i cristalli si autoassemblano, un'attività che si verifica in una vasta gamma di casi in natura, dalle rocce alle conchiglie alle ossa.

"È provocatorio, nel senso che da questo tipo di misurazioni si può costruire un modello di assemblaggio 3D, con particelle che si attaccano l'una all'altra in modi selezionati come i mattoncini Lego, " ha detto il chimico Kevin Rosso del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "I cristalli sono quasi ovunque in natura, e questo lavoro ci aiuterà a sfruttare queste forze quando progettiamo nuovi materiali".

Forza di fusione

I cristalli formano strutture portanti in una varietà di materiali naturali e sintetici. I cristalli più grandi possono accumularsi da quelli più piccoli. Sebbene generalmente a forma di cubi, i cristalli hanno diversi lati, alcuni dei quali si abbinano bene tra loro e altri no. Quando i lati corrispondenti sono orientati correttamente, i cristalli possono fondersi senza soluzione di continuità, crescendo sempre più grande.

Ma ciò che rende i cristalli abbastanza vicini da fondersi in primo luogo, e possono auto-allinearsi? Nel corso degli anni sono stati accennati molti tipi di forze, ma gli strumenti per restringere quelli corretti non sono esistiti.

Ora, Rosso e squadre al PNNL, EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, un DOE Office of Science User Facility presso PNNL, e l'Università di Pittsburgh hanno sviluppato un nuovo approccio combinando un microscopio elettronico a trasmissione ambientale, chiamato ETEM, con sonde di forza a nanocristalli che consentono agli scienziati di osservare i cristalli interagire in una situazione realistica. Il chimico post-dottorato del PNNL Xin Zhang e l'utente EMSL Yang He, un dottorato di ricerca studente dell'Università di Pittsburgh, ha utilizzato le risorse all'interno di EMSL per esaminare come si accoppiano i cristalli di ossido di titanio.

Per capire il loro esperimento, immagina di tenere due magneti e di muoverli l'uno verso l'altro. Quando sono così vicini che la forza attrattiva vince lo sforzo che stai usando per tenerli separati, salteranno insieme. Il team PNNL ha fatto questo, ma su scala molto più piccola e con una forza che non è magnetismo.

Un piccolo salto

Il team aveva bisogno di utilizzare cristalli molto piccoli che non avrebbero sopraffatto le forze deboli che si aspettavano di vedere. Hanno attaccato cristalli di ossido di titanio da cento a mille volte più sottili di un capello umano (a seconda dei capelli) su entrambi i lati di uno strumento che misura la forza. La squadra ha quindi spostato i cristalli l'uno verso l'altro, attorcigliato a diversi angoli tra loro, fino a quando i due non si sono messi insieme.

Il team ha anche separato i cristalli e misurato anche quanta forza ha richiesto. Queste misurazioni hanno permesso ai ricercatori di caratterizzare la forza in dettaglio. Esistono diversi tipi di forze che agiscono su oggetti di queste dimensioni, e con ulteriori analisi il team ha concluso che le forze chiamate van der Waals erano quelle al lavoro che causavano l'autoallineamento.

E un colpo di scena

Inoltre, volevano dare un volto a un nome, in un certo senso, di una previsione teorica delle forze di van der Waals fatta negli anni '70. La teoria ha permesso agli scienziati di calcolare la coppia tra i cristalli che vengono attorcigliati l'uno rispetto all'altro (immagina di torcere una baguette per staccare un pezzo di pane) in base all'angolo tra di loro.

Quindi il team ha anche misurato la forza tra due cristalli tenuti a una distanza costante ma attorcigliati in direzioni opposte l'uno dall'altro. La fisica computazionale co-autrice Maria Sushko ha confrontato i dati con le previsioni fatte dalla teoria e ha dimostrato che la teoria ha retto.

"Questa è la prima misura e prova che la forza dipende da come i cristalli vengono ruotati l'uno rispetto all'altro, ciò che chiamiamo dipendente dalla rotazione, " disse Rosso. "Se sono dipendenti dalla rotazione, ciò implica che questa forza contribuirà ad allineare i cristalli liberi che si scontrano in un ambiente liquido, Per esempio, aumentando il tasso di successo dell'adesione."

Inoltre, dimostrare la connessione significa che sarà più facile determinare tali forze attrattive per cristalli di materiali diversi, come il carbonato di calcio che si trova nelle conchiglie. Gli scienziati saranno in grado di determinare queste forze collegando i numeri a un'equazione piuttosto che ripetere tutti gli esperimenti.

Lo studio è pubblicato su Scienza .