Le nanoparticelle sono versatili precursori di speranza:possono fungere da agenti medici attivi o mezzi di contrasto, nonché da supporti elettronici di memorizzazione o rinforzo per materiali strutturali.

I ricercatori dell'Istituto Max Planck dei colloidi e delle interfacce di Potsdam-Golm e dell'Università tecnologica di Eindoven nei Paesi Bassi hanno dato un contributo fondamentale per rendere tali nanoparticelle utilizzabili per queste varie applicazioni. Durante lo studio delle nanoparticelle di magnetite, hanno sviluppato un modello di come si formano le particelle cristalline di un materiale a seconda delle loro proprietà fisiche. Le nanoparticelle di magnetite vengono utilizzate da alcuni batteri per orientarsi lungo le linee del campo magnetico terrestre. Capire come crescono potrebbe essere utile per generare nanoparticelle con le proprietà desiderate.

In molti aspetti, il design dei materiali assomiglia all'educazione dei figli:molte proprietà sono predeterminate dalla natura, altri vengono acquisiti durante l'istruzione o l'apprendimento, ma l'aspetto importante avviene proprio all'inizio. Una squadra guidata da Damien Faivre, Leader di un gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, ha esaminato il vivaio delle nanoparticelle di magnetite.

Le particelle di magnetite che si dispongono in sottili aghi fungono da bussola per alcuni batteri marini quando si orientano lungo il campo magnetico terrestre alla ricerca delle migliori condizioni di vita. Però, le particelle di magnetite sintetica sono utilizzate anche negli inchiostri, liquidi magnetici, e mezzo di contrasto medico, ma anche come elementi di memoria nei supporti di memorizzazione dei dati. Con l'aiuto delle loro osservazioni di nanoparticelle di magnetite, i ricercatori di Potsdam hanno ampliato la teoria consolidata di come i cristalli di un materiale si formano dalla soluzione.

Il modello classico non può spiegare la formazione di molti cristalli

In una soluzione sovrasatura, diversi atomi e molecole si agglomerano spontaneamente, cioè più o meno a caso, in un seme che poi cresce ulteriormente. Secondo la rappresentazione classica della crescita dei cristalli, il seme cattura atomi o molecole dalla soluzione. A quel punto, si può formare direttamente un cristallo perfettamente ordinato o un cristallo amorfo, e così disordinato, il conglomerato si forma prima, che poi si riorganizza in un cristallo.

In quale dei due percorsi si evolve il cristallo, dipende da quale mostra il livello energetico più basso – la fase cristallina o quella disordinata. Le proprietà determinanti qui sono le energie superficiali delle varianti cristallina e disordinata, così come le quantità di energia che vengono rilasciate quando gli atomi o le molecole si legano all'una o all'altra forma. Un'elevata energia superficiale spinge il dispendio energetico per la crescita di una data fase molto più alto, mentre un grande rendimento energetico dai legami in evoluzione lo abbassa.

"Nel corso degli anni sono aumentate le indicazioni che numerosi minerali non crescono secondo questo modello", dice Damien Faivre. "Apparentemente non assorbono né singoli atomi né molecole durante la loro formazione, ma catturano invece particelle primarie o ammassi di dimensioni fino a pochi nanometri che si formano solo temporaneamente." Questo è più o meno ciò che accade quando si formano cristalli di carbonato di calcio e fosfato di calcio che induriscono le ossa o i gusci dei molluschi. Faivre e il suo team hanno ora stabilito che le nanoparticelle di magnetite crescono anche assorbendo piccole particelle primarie di soli due nanometri di dimensione, i ricercatori hanno osservato questo con un microscopio elettronico a trasmissione operato a una temperatura ben al di sotto dello zero che rappresenta quindi strutture particolarmente piccole.

La stabilità delle particelle primarie diventa il fattore decisivo

"Utilizzando il modello classico, è impossibile determinare se i nanocristalli più grandi si formino direttamente dalle piccole nanoparticelle o se si formi prima una fase disordinata", dice Damien Faivre. Però, se vuoi coltivare nanoparticelle, devi essere in grado di rispondere a questa domanda. Così lui ei suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo modello (che tiene conto delle particelle primarie).

Nel nuovo modello, la stabilità delle nanoparticelle diventa un fattore importante, così importante da poter addirittura invertire la previsione del modello classico. "Più le particelle primarie sono stabili, più è probabile che si formi direttamente una struttura cristallina", spiega Faivre. "In molti casi, quando una fase disordinata dovrebbe formarsi secondo il modello classico, il nostro modello si traduce in un cristallo che si forma direttamente." Questo è esattamente il caso della magnetite.

Indagare le particelle primarie è il passo successivo

Se i cristalli crescono secondo il modello classico o quello proposto dal team di Damien Faivres dipende dal fatto che siano coinvolti atomi e molecole o minuscole particelle primarie. "O lo sai attraverso le osservazioni, come nel nostro caso, o lo si anticipa con l'aiuto delle proprietà fisiche del materiale", spiega Faivre.

Però, i ricercatori hanno ancora numerose domande irrisolte a cui rispondere per passare da queste intuizioni sul vivaio delle nanoparticelle a un manuale di istruzioni per dirigere la loro crescita. "Nel passaggio successivo, indagheremo più precisamente le particelle primarie e le loro proprietà", dice Damien Faivre. Se i ricercatori possono controllare la stabilità delle particelle assimilate da una nanoparticella in crescita, possono anche avere un mezzo per influenzare le proprietà della nanoparticella. Questo non è molto diverso da quello con i giovani, bambini in crescita:quello che diventano dipende da come vengono nutriti.