Gli atomi hanno un centro carico positivamente circondato da una nuvola di particelle cariche negativamente. Questo tipo di disposizione, si scopre, può verificarsi anche a un livello più macroscopico, fornendo nuove intuizioni sulla natura di come i materiali si formano e interagiscono.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), gli scienziati hanno esaminato la struttura interna di un materiale chiamato cristallo colloidale, che consiste in una serie altamente ordinata di particelle più grandi e più piccole intervallate in disposizioni regolari. Una maggiore conoscenza di come sono strutturati e si comportano i cristalli colloidali potrebbe aiutare gli scienziati a determinare le applicazioni a cui sono più adatti, come la fotonica.

In una ricerca pionieristica delineata in un recente numero di Scienza , gli scienziati hanno legato le particelle più piccole a quelle più grandi usando il DNA, permettendo loro di determinare come le particelle più piccole si sono riempite nelle regioni che circondano quelle più grandi. Quando si utilizzavano particelle fino a 1,4 nanometri, estremamente piccole per le particelle colloidali, gli scienziati hanno osservato un effetto eccitante:le piccole particelle si aggiravano intorno a particelle più grandi regolarmente ordinate invece di rimanere bloccate in modo ordinato.

A causa di questo comportamento, i cristalli colloidali potrebbero essere progettati per portare a una varietà di nuove tecnologie nel campo dell'ottica, catalisi, e consegna del farmaco. Le piccole particelle hanno il potenziale per agire come messaggeri, portando altre molecole, corrente elettrica o informazione da un'estremità di un cristallo all'altra.

"Le particelle più piccole agiscono essenzialmente come una colla che tiene insieme la disposizione delle particelle più grandi, " ha detto il fisico dei raggi X di Argonne e autore dello studio Byeongdu Lee. "Con solo poche gocce di colla, la posizione migliore per posizionarli è sugli angoli tra le particelle più grandi. Se aggiungi più perline di colla, traboccherebbero ai bordi."

Le piccole particelle che si trovano sugli angoli tendono a rimanere ferme, una configurazione chiamata da Lee localizzazione. Le particelle aggiuntive che si trovano sui bordi hanno più libertà di movimento, delocalizzarsi. Essendo legato a particelle più grandi e con la capacità di essere sia localizzato che delocalizzato, le piccole particelle agiscono come "equivalenti di elettroni" nella struttura cristallina. La delocalizzazione di piccole particelle, che gli autori chiamavano metallicità, finora non era stato osservato negli assemblaggi di particelle colloidali.

Inoltre, poiché le piccole particelle si delocalizzano in parte, l'effetto crea un materiale che sfida le definizioni più tradizionali di un cristallo, secondo Lee.

"Normalmente, quando cambi la composizione di un cristallo, cambia anche la struttura " disse. "Ecco, puoi avere un materiale in grado di mantenere la sua struttura complessiva con diverse proporzioni dei suoi componenti."

Per immaginare la struttura dei cristalli colloidali, Lee e i suoi colleghi hanno utilizzato i fasci di raggi X ad alta luminosità forniti dall'Advanced Photon Source (APS) di Argonne. una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. L'APS offriva un vantaggio chiave in quanto consentiva agli scienziati di osservare la struttura del cristallo direttamente in soluzione. "Questo sistema è stabile solo in soluzione, una volta che si asciuga, la struttura si deforma, " ha detto Lee.