(Phys.org) - I ricercatori del MIT e dell'Università della Florida centrale (UCF) hanno sviluppato una nuova tecnica di fabbricazione versatile per realizzare grandi quantità di sfere uniformi da un'ampia varietà di materiali, una tecnica che consente un controllo senza precedenti sulla progettazione di individuale, particelle microscopiche. Le particelle, compresi complessi, sfere modellate, potrebbe trovare usi in tutto, dalla ricerca biomedica e la consegna di farmaci all'elettronica e alla lavorazione dei materiali.

Il metodo è un risultato di una tecnica per fare lunghi, fibre sottili di più materiali, sviluppato negli ultimi anni al MIT da membri dello stesso. Il nuovo lavoro, riportato questa settimana sul giornale Natura , inizia facendo fibre sottili usando questo metodo precedente, ma poi aggiunge un ulteriore passaggio di riscaldamento delle fibre per creare una linea di minuscole sfere - come un filo di perle - all'interno di queste fibre.

La fabbricazione convenzionale di particelle sferiche microscopiche utilizza un approccio "dal basso verso l'alto", far crescere le sfere da "semi" ancora più piccoli - un approccio che è in grado di produrre solo particelle molto piccole. Questo nuovo metodo "top-down", però, può produrre sfere piccole fino a 20 nanometri (circa le dimensioni dei virus più piccoli conosciuti) o grandi fino a due millimetri (circa le dimensioni di una capocchia di spillo), il che significa che le particelle più grandi sono 100, 000 volte più grandi di quelli più piccoli. Ma per un dato lotto, la dimensione delle sfere prodotte può essere estremamente uniforme, molto più di quanto sia possibile con l'approccio dal basso verso l'alto.

Yoel Fink, professore di scienza dei materiali e direttore del Research Laboratory of Electronics del MIT, il cui gruppo ha sviluppato il precedente metodo di produzione di fibre multimateriali, spiega che il nuovo metodo può anche produrre sfere multimateriali costituite da diversi strati o segmenti. Sono possibili strutture anche più complesse, lui dice, offrendo un controllo senza precedenti sull'architettura e la composizione delle particelle.

Gli usi più probabili a breve termine del nuovo processo sarebbero per applicazioni biomediche, dice Ayman Abouraddy, un ex postdoc nel laboratorio di Fink che ora è assistente professore al College of Optics and Photonics dell'UCF. “Oggi le applicazioni tipiche delle nanoparticelle sono per la somministrazione controllata di farmaci, "dice. Ma con questo nuovo processo, due o più farmaci diversi, anche quelli normalmente incompatibili, potrebbero essere combinati all'interno di singole particelle, e rilasciati solo una volta che hanno raggiunto la destinazione prevista nel corpo.

Possibilità più esotiche potrebbero sorgere in seguito, Abouraddy aggiunge, inclusi nuovi “metamateriali” con proprietà ottiche avanzate prima irraggiungibili.

Il processo di base prevede la creazione di un grande cilindro di polimero, chiamato "preforma, ” contenente un nucleo interno di cilindro a semiconduttore che è un modello esatto in scala della struttura della fibra finale; questa preforma viene quindi riscaldata fino a quando non è abbastanza morbida da essere tirata in una fibra sottile, come il taffee. La struttura interna della fibra, realizzati con materiali che si ammorbidiscono tutti alla stessa temperatura, mantiene la configurazione interna del cilindro originale.

La fibra viene quindi ulteriormente riscaldata in modo che il nucleo semiconduttore formi un liquido, producendo una serie di goccioline sferiche discrete all'interno della fibra altrimenti continua. Questo stesso fenomeno fa sì che un flusso d'acqua decrescente da un rubinetto alla fine si rompa in un flusso di goccioline, notoriamente catturato da Harold "Doc" Edgerton del MIT nelle sue immagini stroboscopiche.

Abouraddy dice che durante una visita ad antichi templi nel suo nativo Egitto, trovò un'iscrizione che mostrava che anche molto tempo fa, le persone erano consapevoli di questa degradazione di un flusso d'acqua in goccioline, causata da un processo ora noto come instabilità di Rayleigh.

Nel nuovo processo di fabbricazione sviluppato dal team di Abouraddy e Fink, queste goccioline si “congelano” sul posto mentre la fibra si solidifica; la guaina polimerica della preforma li mantiene quindi bloccati in posizione fino a quando non viene successivamente dissolto. Questo supera un altro problema con la produzione tradizionale di nanoparticelle:la loro tendenza ad aggregarsi.

In linea di principio, Abouraddy dice, la scoperta di questo processo per la formazione delle particelle potrebbe essere avvenuta molti anni fa. Ma anche dopo che i teorici avevano previsto che tali instabilità si sarebbero potute formare nel processo di trafilatura delle fibre, la nuova scoperta è arrivata per caso:Joshua Kaufman, uno studente di Abouraddy, stava cercando di produrre fibre, ma il suo esperimento "fallì" quando la fibra continuò a rompersi in goccioline.

Abouraddy, che conosceva la possibilità teorica, immediatamente riconosciuto che questo "fallimento" era in realtà una scoperta importante, sfuggita ai tentativi precedenti semplicemente perché il processo richiede una precisa combinazione di tempi, temperatura e materiali. Kaufman è l'autore principale dell'articolo su Nature.

“La capacità di sfruttare e controllare l'instabilità fugace del fluido all'interno di una fibra ha profonde implicazioni per i dispositivi futuri, "Fink dice, e potrebbe portare a un'ampia varietà di usi. Mentre il gruppo ha dimostrato la produzione di particelle "beach ball" a sei segmenti, in linea di principio strutture molto più complesse, realizzati con diversi materiali, dovrebbe anche essere possibile, lui dice. Qualsiasi materiale che potrebbe essere assorbito in una fibra potrebbe ora, in linea di principio, essere trasformato in una piccola particella.

Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation, l'Ufficio di ricerca scientifica dell'aeronautica e l'Ufficio di ricerca dell'esercito attraverso l'Istituto per le nanotecnologie del soldato del MIT.