Gli scienziati dell'Università di Bristol hanno, per la prima volta, osservato la formazione di un gel cristallino con risoluzione a livello di particelle, permettendo loro di studiare le condizioni con cui si formano questi nuovi materiali.

Lo studio ha mostrato che il meccanismo di crescita dei cristalli segue le stesse strategie con cui i cristalli di ghiaccio crescono nelle nuvole, un'analogia che potrebbe migliorare la nostra comprensione di questi processi fondamentali

Inoltre, questo nuovo meccanismo ha permesso al team di ricerca di formare spontaneamente cristalli nanoporosi simili a spugne in un processo continuo.

I cristalli nanoporosi di metalli e semiconduttori possono essere ottenuti senza dealligazione, che può essere importante per il catalitico, ottico, rilevamento, e applicazioni di filtrazione.

Il lavoro è una collaborazione tra l'Università di Tokyo (dove sono stati condotti gli esperimenti), Bristol e l'Istituto Lumiere Matiere di Lione, Francia.

I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista, Materiali della natura .

Dottor Giovanni Russo, della School of Mathematics dell'Università di Bristol e coautore del documento di ricerca, ha dichiarato:"In particolare abbiamo osservato alcuni nuovi meccanismi di formazione.

"Abbiamo scoperto che per ottenere queste strutture cristallo-gel, la struttura del gel originale deve subire una riorganizzazione strutturale, in cui i legami tra le particelle colloidali vengono rotti per rilasciare lo stress interno che è stato accumulato durante la rapida crescita del gel - un processo chiamato invecchiamento guidato dallo stress.

"Dopodichè, abbiamo osservato che il modo in cui i rami del gel cristallizzano ricorda il processo mediante il quale le gocce d'acqua si cristallizzano nelle nuvole. Abbiamo quindi potuto osservare processi che promuovono la cristallizzazione attraverso una fase gassosa intermedia.

"Questa è la prima volta che questi processi fondamentali vengono osservati a una risoluzione a livello di particelle, che ci dà una visione senza precedenti su come si verifica il processo."

L'articolo riporta esperimenti su una fase fuori equilibrio della materia che si ottiene mescolando particelle colloidali di dimensioni micronmetriche, con catene polimeriche corte in un buon solvente.

Il ruolo dei polimeri è quello di indurre un'efficace attrazione tra le particelle colloidali, a causa di un effetto fisico chiamato esaurimento, la cui origine è puramente entropica.

All'inizio dell'esperimento, le particelle colloidali si respingono a causa della repulsione elettrostatica. Per indurre l'attrazione di esaurimento tra i colloidi, il campione viene messo a contatto con una soluzione salina attraverso una membrana semipermeabile.

Quando il sale si diffonde attraverso la membrana semipermeabile, scherma la repulsione elettrostatica tra le particelle colloidali, che poi iniziano ad aggregarsi.

L'intero processo di aggregazione viene osservato con un microscopio confocale, che esegue scansioni veloci del campione a diverse altezze, in modo che i ricercatori possano ricostruire le coordinate delle particelle colloidali con l'analisi delle immagini, e studiare come queste particelle si muovono nel corso di diverse ore.

Se la concentrazione del polimero è elevata, il sistema formerà un gel - uno stato disordinato in cui le particelle colloidali si aggregano per formare rami interconnessi che attraversano l'intero sistema, e che danno rigidità alla struttura.

Il dottor Russo ha aggiunto:"Ciò che abbiamo dimostrato, Invece, è che se accordiamo la concentrazione del polimero al giusto valore (vicino a quello che viene chiamato punto critico), il sistema non formerà un diverso tipo di gel, in cui le particelle colloidali cristallizzano in tutta la struttura del gel, dando origine a un materiale poroso fatto di rami cristallini."