I ricercatori del Berkeley Lab hanno riportato la prima osservazione diretta di nanoparticelle in fase di attaccamento orientato, il passaggio critico nella biomineralizzazione e nella crescita dei nanocristalli. Una migliore comprensione dell'attacco orientato nelle nanoparticelle è la chiave per sintetizzare nuovi materiali con proprietà strutturali notevoli.

Attraverso la biomineralizzazione, la natura è in grado di produrre meraviglie ingegneristiche come la madreperla, o madreperla, il rivestimento interno dei gusci di abalone rinomato sia per la sua bellezza iridescente che per la straordinaria robustezza. La chiave della biomineralizzazione è il fenomeno noto come "attaccamento orientato, " per cui le nanoparticelle adiacenti si connettono tra loro in un comune orientamento cristallografico. Mentre l'importanza dell'attaccamento orientato alle proprietà biominerali è stata riconosciuta da tempo, il meccanismo con cui avviene è rimasto un mistero. Con una migliore comprensione dell'attaccamento orientato dovrebbe essere possibile sintetizzare nuovi materiali con notevoli proprietà strutturali. A quello scopo, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha riportato la prima osservazione diretta di ciò che hanno definito "salto al contatto, "il passaggio critico nell'attaccamento orientato.

"L'osservazione diretta delle accelerazioni traslazionali e rotazionali associate al salto al contatto tra le nanoparticelle ci ha permesso di calcolare le forze che guidano l'attaccamento orientato, " ha detto Jim De Yoreo, uno scienziato della Fonderia Molecolare, un centro di nanoscienze DOE presso il Berkeley Lab, dove ha avuto luogo questa ricerca. "Questo ci fornisce una base per testare modelli e simulazioni che potrebbero aprire la porta all'utilizzo di un attaccamento orientato nella sintesi di nuovi materiali unici".

DeYoreo è l'autore corrispondente di un articolo sulla rivista Scienza che descrive questa ricerca intitolata "Le interazioni specifiche della direzione controllano la crescita dei cristalli mediante attaccamento orientato". Co-autore di questo documento sono stati Dongsheng Li, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen e Jillian Banfield.

Da quando uno studio del 2000 condotto dal coautore Banfield ha rivelato l'esistenza di un attaccamento orientato alle nanoparticelle, è stato ampiamente riconosciuto che il fenomeno è un importante meccanismo di crescita dei cristalli in molti materiali naturali e biomimetici, così come nella sintesi di nanofili.

"Tali sistemi di nanocristalli spesso mostrano forme complesse che vanno da catene quasi unidimensionali a sovrastrutture gerarchiche tridimensionali, ma tipicamente diffrange come un singolo cristallo, implicando che le particelle primarie hanno subito l'allineamento durante la crescita, "dice Li, primo autore del paper Science e membro del gruppo di ricerca di DeYoreo. "Quando l'allineamento delle particelle è accompagnato da coalescenza, questa crescita si caratterizza come attaccamento orientato, però, il percorso attraverso il quale le nanoparticelle si allineano e si attaccano è stato capito male".

Per saperne di più sulle interazioni e le forze che guidano l'attaccamento orientato, i ricercatori di Berkeley hanno studiato la crescita precoce dei cristalli di nanoparticelle di ossido di ferro. Gli ossidi di ferro sono abbondanti nella crosta terrestre e svolgono un ruolo importante nei processi biogeochimici che modellano gli ambienti vicini alla superficie. Utilizzando una cella liquida al silicio montata all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione presso la Molecular Foundry, il team di ricerca ha registrato immagini con una risoluzione sufficiente per tracciare gli orientamenti delle nanoparticelle durante la crescita dei cristalli.

"Abbiamo osservato le particelle sottoposte a rotazione e interazione continue fino a quando non hanno trovato una perfetta corrispondenza reticolare, a quel punto si è verificato un improvviso salto al contatto su una distanza inferiore a un nanometro, " DeYoreo dice. "Questo salto al contatto è seguito da aggiunte laterali atomo per atomo avviate nel punto di contatto. Le accelerazioni traslazionali e rotazionali misurate mostrano che forte, interazioni altamente specifiche della direzione guidano la crescita dei cristalli tramite l'attaccamento orientato".

Le informazioni ottenute da questa indagine sull'attacco orientato delle nanoparticelle di ossido di ferro dovrebbero essere applicabili non solo alla futura sintesi di materiali biomimetici, ma anche agli sforzi di ripristino ambientale. Gli scienziati ora sanno che la mineralizzazione negli ambienti naturali spesso procede attraverso eventi di attaccamento particella-particella e svolge un ruolo importante nel sequestro dei contaminanti. Comprendere le forze alla base dell'attaccamento orientato dovrebbe anche favorire lo sviluppo di nanofili semiconduttori ramificati o simili ad alberi, strutture in cui uno o più nanofili secondari crescono radialmente da un nanofilo primario.

"Nanofili semiconduttori ramificati vengono perseguiti per applicazioni nella fotocatalisi, fotovoltaico e nanoelettronica a causa delle loro ampie superfici, piccoli diametri, e capacità di formare giunzioni naturali, " DeYoreo dice. "Una comprensione dei meccanismi sottostanti che controllano la ramificazione dei nanofili dovrebbe aiutare gli scienziati dei materiali a sviluppare strategie più efficaci per la produzione di questi materiali".