I ricercatori dell'Università dell'Illinois e della Northwestern University hanno dimostrato strutture di ispirazione biologica che si autoassemblano da semplici mattoncini:le sfere.

Le "supermolecole" elicoidali sono costituite da minuscole sfere colloidali invece di atomi o molecole. Metodi simili potrebbero essere usati per creare nuovi materiali con la funzionalità di complesse molecole colloidali. Il team pubblicherà i suoi risultati nel numero del 14 gennaio della rivista Scienza .

"Ora possiamo creare una classe completamente nuova di materiali intelligenti, che apre le porte a nuove funzionalità che prima non potevamo immaginare, " ha detto Steve Granick, Professore fondatore di Ingegneria presso l'Università dell'Illinois e professore di scienza e ingegneria dei materiali, chimica, e fisica.

Il team di Granick ha sviluppato minuscole sfere di lattice, soprannominato "Janus sfere, " che si attraggono nell'acqua da una parte, ma si respingono dall'altra parte. La doppia natura è ciò che conferisce alle sfere la loro capacità di formare strutture insolite, in modo simile ad atomi e molecole.

Nell'acqua pura, le particelle si disperdono completamente perché i loro lati carichi si respingono. Però, quando il sale viene aggiunto alla soluzione, gli ioni di sale ammorbidiscono la repulsione in modo che le sfere possano avvicinarsi sufficientemente da attrarre le loro estremità idrofobe. L'attrazione tra queste estremità unisce le sfere in grappoli.

A basse concentrazioni di sale, si formano piccoli grappoli di poche particelle. A livelli più alti, si formano grappoli più grandi, eventualmente autoassemblanti in catene con un'intricata struttura elicoidale.

"Proprio come gli atomi che crescono in molecole, queste particelle possono crescere in sopracolloidi, " Ha detto Granick. "Tali percorsi sarebbero molto convenzionali se parlassimo di atomi e molecole che reagiscono chimicamente tra loro, ma la gente non si è resa conto che anche le particelle possono comportarsi in questo modo".

Il team ha progettato sfere con la giusta quantità di attrazione tra le loro metà idrofobiche in modo che si attaccassero l'una all'altra ma fossero ancora abbastanza dinamiche da consentire il movimento, riarrangiamento, e crescita dei cluster.

"La quantità di viscosità conta davvero molto. Puoi finire con qualcosa di disordinato, solo piccoli grappoli, o se le sfere sono troppo appiccicose, ti ritrovi con un pasticcio globulare invece di queste bellissime strutture, " ha detto lo studente laureato Jonathan Whitmer, un coautore del documento.

Uno dei vantaggi delle supermolecole del team è che sono abbastanza grandi da poter essere osservate in tempo reale usando un microscopio. I ricercatori sono stati in grado di osservare le sfere di Janus che si uniscono e gli ammassi crescono – sia una sfera alla volta che fondendosi con altri piccoli ammassi – e si riorganizzano in diverse configurazioni strutturali che il team chiama isomeri.

"Progettiamo questi materiali intelligenti per assumere forme utili che la natura non sceglierebbe, ", ha detto Granick.

Sorprendentemente, calcoli teorici e simulazioni al computer di Erik Luijten, Professore di scienze e ingegneria dei materiali alla Northwestern University e di scienze ingegneristiche e matematica applicata, e Whitmer, uno studente del suo gruppo, ha mostrato che le strutture elicoidali più comuni non sono le più energeticamente favorevoli. Piuttosto, le sfere si uniscono in un modo che è il più cineticamente favorevole - cioè, il primo buon adattamento che incontrano.

Prossimo, i ricercatori sperano di continuare a esplorare le proprietà del colloide con l'obiettivo di progettare strutture più innaturali. Le particelle di Giano di diverse dimensioni o forme potrebbero aprire la porta alla costruzione di altre supermolecole e a un maggiore controllo sulla loro formazione.

"Queste particolari particelle hanno strutture preferite, ma ora che comprendiamo il meccanismo generale, possiamo applicarlo ad altri sistemi:particelle più piccole, interazioni diverse e provare a progettare cluster che cambiano forma, ", ha detto Granick.