Quando lo scienziato israeliano Daniel Shechtman vide per la prima volta un quasicristallo attraverso il suo microscopio nel 1982, secondo quanto riferito pensava tra sé e sé, "Eyn chaya kazo":in ebraico, "Non può esistere una tale creatura."

Ma c'è, e il quasicristallo è diventato oggetto di molte ricerche nei 35 anni dalla scoperta del premio Nobel di Shechtman. Cosa rende i quasicristalli così interessanti? La loro struttura insolita:gli atomi nei quasicristalli sono disposti in modo ordinato ma non periodico, a differenza della maggior parte dei cristalli, che sono costituiti da una tridimensionalità, disposizione ordinata e periodica (ripetuta) degli atomi.

Il laboratorio di Uli Wiesner, lo Spencer T. Olin Professor of Engineering presso il Department of Materials Science and Engineering (MSE) della Cornell University, ha unito gli scienziati che perseguono questa area di studio relativamente nuova. E proprio come Shechtman, che ha scoperto i quasicristalli mentre studiava i modelli di diffrazione dei cristalli di alluminio-manganese, Wiesner si è imbattuto un po' per caso nei quasicristalli.

Mentre lavorava con le nanoparticelle di silice, da cui vengono realizzati i punti Cornell brevettati del laboratorio Wiesner (o punti C), uno dei suoi studenti si è imbattuto in un'insolita struttura di silice non periodica ma ordinata, diretto dall'autoassemblaggio indotto chimicamente di gruppi di molecole, o micelle.

"Per la prima volta, vediamo questa struttura [quasicristallina] nelle nanoparticelle, che non era mai stato visto prima per quanto ne sappiamo, " ha detto Wiesner, il cui team di ricerca ha proceduto a condurre centinaia di esperimenti per catturare la formazione di queste strutture nelle prime fasi del loro sviluppo.

Il loro lavoro ha portato a un documento, "Percorsi di formazione di nanoparticelle di silice mesoporosa con piastrellatura dodecagonale, " pubblicato il 15 agosto in Comunicazioni sulla natura . Gli autori principali sono l'ex studente di dottorato MSE Yao Sun, l'attuale postdoc Kai Ma e la dottoranda Teresa Kao. Altri contributori includevano Lena Kourkoutis, assistente professore di fisica applicata e ingegneria; Veit Elser, professore di fisica; e gli studenti laureati Katherine Spoth, Hiroaki Sai e Duhan Zhang.

Per studiare l'evoluzione dei quasicristalli di nanoparticelle di silice, la soluzione migliore sarebbe fare un video del processo di crescita, ma non era possibile, ha detto Wiesner.

"Le strutture sono così piccole, li puoi vedere solo attraverso un microscopio elettronico, " ha detto. "La silice si degrada sotto il fascio di elettroni, quindi non è possibile osservare una particella per un periodo di tempo più lungo."

La soluzione? Conduci molti esperimenti, fermare il processo di crescita dei quasicristalli in punti variabili, imaging con microscopia elettronica a trasmissione (TEM), e confrontando i risultati con simulazioni al computer, condotto da Kao. Questa immagine, fatto da Sun e Ma, ha dato al team una sorta di time-lapse sul processo di crescita dei quasicristalli, che potevano controllare in un paio di modi diversi.

Un modo era variare la concentrazione del composto chimico mesitilene, noto anche come TMB, un espansore dei pori. L'imaging, incluso il cryo-TEM eseguito da Spoth, ha mostrato che con l'aumentare della concentrazione di TMB, le micelle sono diventate più grandi ed eterogenee. L'aggiunta di TMB ha indotto quattro cambiamenti nella struttura delle nanoparticelle mesoporose, iniziando come un esagonale e terminando come un quasicristallo dodecagonale (12 lati).

"Più TMB aggiungiamo, più ampia è la distribuzione delle dimensioni dei pori, " Wiesner ha detto "e questo perturba la formazione dei cristalli e porta ai quasicristalli".

L'altro modo per far evolvere queste strutture è meccanico. Partendo da una struttura cristallina esagonale, il team ha scoperto che semplicemente mescolando la soluzione sempre più vigorosamente, hanno introdotto un disturbo che ha anche cambiato la distribuzione delle dimensioni delle micelle e ha innescato gli stessi cambiamenti strutturali "fino al quasicristallo, "Ha detto Wiesner.

Gran parte della scoperta in questo lavoro è stata "serendipità, " Wiesner ha detto il risultato di "centinaia e centinaia" di esperimenti di crescita condotti dagli studenti.

Più informazioni acquisite sulla formazione precoce di queste particelle uniche, migliore è la sua comprensione delle nanoparticelle di silice, che sono al centro del lavoro del suo gruppo con i punti Cornell.

"Man mano che le tecniche migliorano, la capacità di vedere piccole strutture e comprendere meglio i loro meccanismi di assemblaggio sta migliorando, " ha detto. "E tutto ciò che ci aiuta a capire questi primi passi di formazione ci aiuterà a progettare materiali migliori alla fine".