I materiali realizzati con nanoparticelle promettono una miriade di applicazioni, dalla migliore produzione di energia solare ai touch screen perfetti. La sfida nella creazione di questi meravigliosi materiali è organizzare le nanoparticelle in disposizioni ordinate.

Nanoparticelle di magnetite, il materiale magnetico più abbondante sulla terra, si trovano negli organismi viventi dai batteri agli uccelli. I nanocristalli di magnetite si autoassemblano in sottili aghi di bussola nell'organismo che lo aiutano a navigare.

Collaborando con i nanochimici guidati da Rafal Klajn presso il Weizmann Institute of Science in Israele, che ha scoperto che i nanocubi di magnetite possono autoassemblarsi in sovrastrutture elicoidali in determinate condizioni, Il chimico teorico dell'Università dell'Illinois a Chicago Petr Kral e i suoi studenti hanno simulato il fenomeno e spiegato le condizioni in cui può verificarsi. Lo studio congiunto è online in Science Express prima della stampa nel numero del 5 settembre di Scienza .

I ricercatori Weizmann hanno sciolto i nanocristalli ed hanno esposto la soluzione a un campo magnetico esterno. Quando la soluzione è evaporata, si formano catene elicoidali di nanoparticelle. Sorprendentemente, le eliche a spirale erano chirali, cioè sia mancino che destrorso, nonostante il fatto che le nanoparticelle stesse non siano chirali. Gli assemblaggi di eliche densamente imballati tendevano ad adottare la stessa manualità.

Il team UIC di Kral ha modellato l'autoassemblaggio per determinare come si sono formate le eliche negli esperimenti dei loro collaboratori e perché le eliche avevano la chiralità.

Hanno scoperto che l'autoassemblaggio in eliche chirali è il risultato delle forze in competizione che agiscono su di esse:la forza di Zeeman dal campo magnetico esterno, forza magnetica dipolo-dipolo, forza direzionale magneto-anisotropica, forze di van der Waals debolmente attraenti, e altri. La chimica dei ligandi delle nanoparticelle, il solvente, e la temperatura può anche svolgere un ruolo.

In presenza di un campo magnetico esterno, i nanocubi superparamagnetici, che sono magnetici casualmente e possono capovolgersi con i cambiamenti di temperatura, sono diventati minuscoli magneti con diverse simmetrie delle forze in competizione che agiscono tra di loro. Di conseguenza, quando due cubi sono uno di fronte all'altro, tendono a inclinarsi l'uno rispetto all'altro, formando un piccolo angolo a destra o a sinistra, il seme di un'elica chirale, come più nanocubi si allineano con i primi due.

L'analisi di Kral ha utilizzato un algoritmo informatico Monte Carlo, che si basa su ripetuti campionamenti casuali, simulazioni ripetute più volte.

"Abbiamo dovuto scrivere un nuovo, efficiente codice informatico Monte Carlo che descrive tutti i termini necessari, tutti i valori, e poi spiegare come avviene il comportamento molto insolito osservato da Klajn - l'autoassemblaggio delle eliche, " ha detto Kral.