(Phys.org) — I ricercatori hanno a lungo pensato che le molecole biologiche e i nanocristalli sintetici fossero simili solo per le dimensioni. Ora, I chimici dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno scoperto di poter aggiungere reattività all'elenco dei tratti condivisi. Gli atomi in un nanocristallo possono cooperare tra loro per facilitare il legame o la commutazione, un fenomeno ampiamente riscontrato nelle molecole biologiche.

La scoperta potrebbe catalizzare la produzione di nanocristalli per sensori intelligenti, celle solari, minuscoli transistor per computer ottici, e imaging medico. Guidato dal professore di chimica Prashant Jain, il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"In geologia, ambienti industriali e domestici, i grani su scala nanometrica di qualsiasi materiale subiscono transizioni chimiche quando vengono messi in condizioni reattive, "Jain ha detto. "Il ferro arrugginisce nel tempo e la formazione del diamante dal carbonio sono esempi di due transizioni che si verificano comunemente. Capire come avvengono queste transizioni sulla scala dei granelli più piccoli del materiale è una delle principali motivazioni del nostro lavoro".

Gli scienziati possono sfruttare tali transizioni per creare nanocristalli conformi a una particolare struttura. Possono creare un nanocristallo di un materiale e trasformarlo in un altro materiale, essenzialmente utilizzando la struttura di nanocristalli originale come modello per creare un nanocristallo del nuovo materiale con le stesse dimensioni e forma. Ciò consente ai ricercatori di creare nanocristalli di nuovi materiali in forme e strutture che altrimenti potrebbero non essere in grado di creare.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno trasformato minuscoli cristalli del materiale seleniuro di cadmio in cristalli di seleniuro di rame. I nanocristalli di seleniuro di rame hanno una serie di proprietà interessanti che possono essere utilizzate per la raccolta di energia solare, informatica ottica e chirurgia laser. La trasformazione dal seleniuro di cadmio crea nanocristalli con una purezza difficile da ottenere con altri metodi.

I ricercatori, tra cui la studentessa Sarah White, ha utilizzato tecniche avanzate di microscopia e spettroscopia per determinare la dinamica degli atomi all'interno dei cristalli durante la trasformazione e ha scoperto che la trasformazione non avviene come un lento processo di diffusione, ma come un rapido passaggio grazie alla cooperazione.

I ricercatori hanno visto che una volta che il nanocristallo di seleniuro di cadmio ha assorbito alcune impurità iniziali del "seme" di rame, gli atomi nel resto del reticolo possono cooperare per scambiare rapidamente il resto del cadmio con il rame. Jain paragona i cristalli all'emoglobina, la molecola nei globuli rossi che trasporta l'ossigeno. Una volta che una molecola di ossigeno si è legata all'emoglobina, altri siti di legame all'interno dell'emoglobina cambiano leggermente conformazione per raccogliere più facilmente più ossigeno. Egli postula che allo stesso modo, le impurità di rame potrebbero causare un cambiamento strutturale nel nanocristallo, rendendo più facile l'infiltrazione di più ioni di rame nel nanocristallo in una rapida cascata.

I ricercatori hanno riprodotto l'esperimento con l'argento, oltre al rame, e ho visto simili, anche se leggermente meno veloce, comportamento cooperativo.

Ora, Il team di Jain sta usando il suo imaging avanzato per osservare le transizioni accadere in singoli nanocristalli, in tempo reale.

"Abbiamo un sofisticato microscopio ottico nel nostro laboratorio, che ora ci ha permesso di catturare un singolo nanocristallo nell'atto di compiere una transizione, " Ha detto Jain. "Questo ci consente di apprendere dettagli nascosti su come procede effettivamente la transizione. Stiamo anche imparando come un nanocristallo si comporta in modo diverso da un altro".

Prossimo, i ricercatori hanno in programma di esplorare fenomeni cooperativi simili a biomolecole in altri materiali e processi allo stato solido. Per esempio, la cooperazione nei processi catalitici potrebbe avere importanti implicazioni per l'energia solare o la produzione di costosi prodotti chimici speciali.

"A lungo termine, siamo interessati a sfruttare il comportamento cooperativo per progettare materiali intelligenti artificiali che rispondono in modo simile a un interruttore come fa l'emoglobina nel nostro corpo, " ha detto Giain.