(Phys.org) -- Molti recenti progressi nella microtecnologia e nella nanotecnologia dipendono da particelle sferiche microscopiche che si autoassemblano in aggregati su larga scala per formare una gamma relativamente limitata di strutture cristalline. L'assemblaggio diretto è un nuovo ramo di questo campo, dove gli scienziati scoprono come assemblare le particelle per formare un'ampia gamma di strutture in determinati luoghi.

Le tecniche attuali per l'assemblaggio diretto utilizzano tipicamente un campo applicato, come un campo elettrico o magnetico, spostare le particelle e assemblarle in strutture ben definite. Ora, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno identificato un nuovo metodo semplice per dirigere l'assemblaggio delle particelle basato solo sulla tensione superficiale e sulla forma delle particelle.

La ricerca, guidato da Kathleen J. Stebe, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e Vice Preside della Scuola per la Ricerca, è stata eseguita da un team di ricercatori nel suo laboratorio, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski e Marisa Wang. È stato pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

I loro risultati si basano sul semplice fatto che una superficie liquida tenderà a ridurre al minimo la sua superficie.

“È lo stesso motivo per cui la tensione superficiale fa sì che una goccia d'acqua voglia essere una sfera, ” ha detto Stebe. "Ma possiamo sintonizzare quel fenomeno per fare cose sorprendenti".

Le particelle sferiche autoassemblanti sono state utilizzate per creare nuovi materiali con proprietà ottiche e meccaniche uniche, ma non sferico, o anisotropo, le particelle possono contenere una promessa ancora più grande. Avendo una direzionalità definibile, le proprietà dei materiali che compongono le particelle possono essere alterate in base al loro orientamento.

Nello studio, Il laboratorio di Stebe ha utilizzato particelle cilindriche realizzate con un polimero comune. Quando posto sulla superficie di un sottile film d'acqua, i cilindri producono una deformazione a sella:la superficie dell'acqua scende a ciascuna estremità di una particella e risale lungo i loro lati.

Il laboratorio Stebe aveva precedentemente dimostrato che questa forma a sella può essere utilizzata per orientare due particelle cilindriche da un capo all'altro. Quando le depressioni alle loro estremità entrano in contatto, la tensione superficiale fa contrarre l'area dello spazio tra di loro, unendo le estremità.

Nel nuovo studio, invece di due particelle interagenti, le particelle interagiscono con un palo stazionario. Il palo spunta dalla superficie dell'acqua, facendo in modo che la superficie si incurvi verso l'alto attorno ad essa. L'interazione tra la deformazione di una particella e questa curva è governata dallo stesso fenomeno della tensione superficiale mostrato nello studio precedente; le particelle si muovono in modo da rendere la superficie più piccola possibile.

“Ciò significa che non appena le particelle colpiscono la superficie dell'acqua, cambiano il loro allineamento e iniziano a muoversi rapidamente in salita verso il palo, ", ha detto Cavallaro. "Siamo stati anche in grado di prevedere le linee che avrebbero percorso per tre diverse forme di palo".

Modificando la forma della sezione trasversale dei montanti, i ricercatori sono stati in grado di mostrare un controllo accurato su come le particelle si muovevano e si orientavano. Un palo circolare attraeva particelle in linea retta, mentre un palo ellittico attirava le particelle alle estremità allungate. Un palo quadrato ha prodotto il comportamento più complesso, trascinando con forza le particelle agli angoli, lasciando i lati aperti.

La scelta del laboratorio della forma e del materiale delle particelle era solo per aiutare i ricercatori a osservare l'orientamento e la posizione delle particelle; qualsiasi particella non sferica, su qualsiasi superficie liquido-liquido o liquido-vapore, sarebbe governato dagli stessi principi e produrrebbe lo stesso tipo di deformazione. Questo rende questa ricerca particolarmente potente:non dipende dal fatto che la particella abbia una certa forma o sia fatta di un certo materiale.

Le superfici tempestate di pali strategicamente posizionati e sagomati potrebbero dirigere e orientare le particelle in quasi tutte le configurazioni. E poiché il meccanismo dietro il movimento delle particelle è semplicemente la curvatura della superficie, il loro movimento potrebbe essere “programmato” modificando la disposizione dei montanti o la forma dell'interfaccia.

“Potrei entrare con l'ago, Per esempio, e sollevare dinamicamente la superficie in punti diversi, o in tempi diversi, ” ha detto Stebe.

“Molto spesso quando pensiamo all'utilizzo di micro o nanotecnologie, non stiamo pensando a proprietà su così piccola scala:sarà la struttura organizzata composta da micro o nanoparticelle che sarà utile, magari come un obiettivo o una superficie intelligente, ” ha detto. “Questo fenomeno potrebbe essere utilizzato per creare nuove strutture inviando particelle in determinati luoghi. Potremmo definire percorsi e dire "ecco un punto di attracco:vai lì" o "ecco un punto in cui non vogliamo nulla; non andare lì.'

“Questa è una chiara dimostrazione di assemblaggio diretto. Come l'autoassemblaggio, le cose si uniscono dal basso verso l'alto, ma qui si uniscono esattamente dove vogliamo che arrivino".