Un nuovo studio collaborativo condotto da un gruppo di ricerca presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, Università della California, Los Angeles e l'Università di Washington potrebbero fornire agli ingegneri nuove regole di progettazione per la creazione di microelettronica, membrane e tessuti, e aprire metodi di produzione migliori per nuovi materiali. Allo stesso tempo, la ricerca, pubblicato online il 6 dicembre sulla rivista Scienza , aiuta a sostenere una teoria scientifica che non è stata dimostrata per oltre un secolo.

Proprio come i bambini seguono una regola per allinearsi in fila indiana dopo la ricreazione, alcuni materiali utilizzano una regola di base per assemblare sulle superfici una riga alla volta, secondo lo studio.

La nucleazione, quella prima fase di formazione, è pervasiva nelle strutture ordinate attraverso la natura e la tecnologia, dalle goccioline di nuvole alle caramelle rock. Eppure, nonostante alcune previsioni fatte nel 1870 dallo scienziato americano J. Willard Gibbs, i ricercatori stanno ancora discutendo su come avvenga questo processo di base.

Il nuovo studio verifica la teoria di Gibbs per i materiali che si formano riga per riga. Guidato dallo studente laureato UW Jiajun Chen, lavorando al PNNL, la ricerca scopre il meccanismo sottostante, che colma un vuoto di conoscenza fondamentale e apre nuove strade nella scienza dei materiali.

Chen ha usato piccoli frammenti proteici chiamati peptidi che mostrano specificità, o appartenenza unica, ad una superficie materiale. I collaboratori dell'UCLA hanno identificato e utilizzato tali peptidi specifici per materiale come agenti di controllo per costringere i nanomateriali a crescere in determinate forme, come quelli desiderati nelle reazioni catalitiche o nei dispositivi a semiconduttore. Il team di ricerca ha fatto la scoperta mentre studiava come un particolare peptide, uno con una forte affinità di legame per il disolfuro di molibdeno, interagisce con il materiale.

"E 'stata una serendipità completa, ", ha affermato lo scienziato dei materiali del PNNL James De Yoreo, co-autore corrispondente dell'articolo e consulente di dottorato di Chen. "Non ci aspettavamo che i peptidi si assemblassero nelle loro strutture altamente ordinate".

Ciò potrebbe essere accaduto perché "questo peptide è stato identificato da un processo di evoluzione molecolare, " aggiunge l'autore corrispondente Yu Huang, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UCLA. "Sembra che la natura trovi il modo di ridurre al minimo il consumo di energia e di fare miracoli".

La trasformazione dell'acqua liquida in ghiaccio solido richiede la creazione di un'interfaccia solido-liquido. Secondo la teoria della nucleazione classica di Gibbs, anche se trasformare l'acqua in ghiaccio fa risparmiare energia, creare l'interfaccia costa energia. La parte difficile è l'inizio iniziale, ovvero quando la superficie della nuova particella di ghiaccio è grande rispetto al suo volume, quindi costa più energia per produrre una particella di ghiaccio di quanta ne venga risparmiata.

La teoria di Gibbs prevede che se i materiali possono crescere in una dimensione, che significa riga per riga, non esisterebbe una tale penalità energetica. Quindi i materiali possono evitare ciò che gli scienziati chiamano la barriera di nucleazione e sono liberi di autoassemblarsi.

C'è stata una recente controversia sulla teoria della nucleazione. Alcuni ricercatori hanno trovato prove che il processo fondamentale è in realtà più complesso di quello proposto nel modello di Gibbs.

Ma "questo studio mostra che ci sono certamente casi in cui la teoria di Gibbs funziona bene, " disse De Yoreo, che è anche un professore affiliato alla UW di chimica e scienza e ingegneria dei materiali.

Precedenti studi avevano già dimostrato che alcune molecole organiche, compresi peptidi come quelli dell'articolo di Science, può autoassemblarsi sulle superfici. Ma al PNNL, De Yoreo e il suo team hanno scavato più a fondo e hanno trovato un modo per capire come le interazioni molecolari con i materiali influiscano sulla loro nucleazione e crescita.

Hanno esposto la soluzione peptidica a superfici fresche di un substrato di bisolfuro di molibdeno, misurare le interazioni con la microscopia a forza atomica. Quindi hanno confrontato le misurazioni con simulazioni di dinamica molecolare.

De Yoreo e il suo team hanno stabilito che anche nelle prime fasi, i peptidi legati al materiale una riga alla volta, senza barriere, proprio come prevede la teoria di Gibbs.

L'elevata velocità di imaging della microscopia a forza atomica ha permesso ai ricercatori di vedere le file proprio mentre si stavano formando. I risultati hanno mostrato che le file sono state ordinate fin dall'inizio e sono cresciute alla stessa velocità indipendentemente dalle loro dimensioni, una prova fondamentale. Hanno anche formato nuove file non appena abbastanza peptide era nella soluzione per far crescere le file esistenti; ciò accadrebbe solo se la formazione delle file fosse priva di barriere.

Questo processo riga per riga fornisce indizi per la progettazione di materiali 2D. Attualmente, per formare determinate forme, i progettisti a volte hanno bisogno di mettere i sistemi molto fuori equilibrio, o equilibrio. è difficile da controllare, disse De Yoreo.

"Ma in 1-D, scompare la difficoltà di far formare le cose in una struttura ordinata, " Ha aggiunto De Yoreo. "Allora puoi operare proprio vicino all'equilibrio e far crescere ancora queste strutture senza perdere il controllo del sistema".

Potrebbe cambiare i percorsi di assemblaggio per coloro che progettano la microelettronica o persino i tessuti corporei.

Il team di Huang all'UCLA ha dimostrato nuove opportunità per i dispositivi basati su materiali 2D assemblati attraverso interazioni in soluzione. Ma ha detto che gli attuali processi manuali utilizzati per costruire tali materiali hanno dei limiti, comprese le capacità di scalabilità.

"Ora con la nuova comprensione, possiamo iniziare a sfruttare le interazioni specifiche tra molecole e materiali 2-D per processi di assemblaggio automatico, " disse Huang.

Il prossimo passo, disse De Yoreo, consiste nel creare molecole artificiali che abbiano le stesse proprietà dei peptidi studiati nel nuovo articolo, solo più robuste.

Al PNNL, De Yoreo e il suo team stanno esaminando peptoidi stabili, che sono facili da sintetizzare come i peptidi, ma possono gestire meglio le temperature e le sostanze chimiche utilizzate nei processi per costruire i materiali desiderati.