Gli scienziati producono nanoparticelle da più di due decenni in fogli bidimensionali, cristalli tridimensionali e ammassi casuali. Ma non sono mai stati in grado di far curvare o piegare un foglio di nanoparticelle in una complessa struttura tridimensionale. Ora i ricercatori dell'Università di Chicago, l'Università del Missouri e l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno trovato un modo semplice per fare esattamente questo.

I risultati aprono la strada agli scienziati per progettare membrane con sintonizzazione elettrica, proprietà magnetiche e meccaniche che potrebbero essere utilizzate in elettronica e potrebbero anche avere implicazioni per la comprensione dei sistemi biologici.

Lavorando presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) e l'Advanced Photon Source (APS), due DOE Office of Science User Facilities situate ad Argonne, il team ha ottenuto membrane di nanoparticelle d'oro ricoperte di molecole organiche per arricciarsi in tubi quando vengono colpite da un fascio di elettroni. Altrettanto importante, hanno scoperto come e perché accade.

Gli scienziati rivestono le nanoparticelle d'oro di poche migliaia di atomi ciascuna con una molecola organica simile all'olio che tiene insieme le particelle d'oro. Quando galleggiano sull'acqua le particelle formano un foglio; quando l'acqua evapora, lascia il lenzuolo sospeso sopra un foro. "È quasi come una pelle di tamburo, " dice Xiao-Min Lin, lo scienziato dello staff del Center for Nanoscale Materials che ha guidato il progetto. "Ma è una membrana molto sottile composta da un singolo strato di nanoparticelle".

Con loro sorpresa, quando gli scienziati hanno messo la membrana nel raggio di un microscopio elettronico a scansione, si è piegato. Si piegava ogni volta, e sempre nella stessa direzione.

"Ciò ha suscitato la nostra curiosità, " disse Lin. "Perché si piega in una direzione?"

La risposta stava nelle molecole di superficie organiche. Sono idrofobi:quando galleggiano sull'acqua cercano di evitare il contatto con essa, così finiscono per distribuirsi in modo non uniforme tra gli strati superiore e inferiore del foglio di nanoparticelle. Quando il fascio di elettroni colpisce le molecole sulla superficie, fa sì che formino un ulteriore legame con i loro vicini, creando uno stress asimmetrico che fa piegare le membrane.

Zhang Jiang e Jin Wang, Personale radiografico dell'APS, ha inventato un modo ingegnoso per misurare l'asimmetria molecolare, che a soli sei angstrom, o circa sei atomi di spessore, è così piccolo che normalmente non sarebbe misurabile.

Subramanian Sankaranarayanan e Sanket Deshmukh al CNM hanno utilizzato le risorse di calcolo ad alte prestazioni presso il National Energy Research Scientific Computing Center del DOE e l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), sia DOE Office of Science User Facilities, analizzare la superficie delle nanoparticelle. Hanno scoperto che la quantità di superficie coperta dalle molecole organiche e la mobilità delle molecole sulla superficie hanno entrambe un'importante influenza sul grado di asimmetria nella membrana.

"Sono risultati affascinanti, " ha detto Fernando Bresme, professore di fisica chimica all'Imperial College di Londra e uno dei principali teorici della fisica della materia soffice. "Avanzano in modo significativo la nostra capacità di creare nuove nanostrutture con forme controllate".

In linea di principio, gli scienziati potrebbero utilizzare questo metodo per indurre il ripiegamento in qualsiasi membrana di nanoparticelle che abbia una distribuzione asimmetrica delle molecole di superficie. Ha detto Lin, "Usi un tipo di molecola che odia l'acqua e fa affidamento sulle superfici dell'acqua per guidare le molecole a distribuirsi in modo non uniforme, oppure potresti usare due diversi tipi di molecole. La chiave è che le molecole devono distribuirsi in modo non uniforme".

Il prossimo passo per Lin e i suoi colleghi è esplorare come possono controllare la distribuzione molecolare sulla superficie e quindi il comportamento di piegatura. Prevedono di zappare solo una piccola parte della struttura con il fascio di elettroni, progettare le sollecitazioni per ottenere particolari schemi di flessione.

"Puoi forse piegare queste cose in strutture di origami e ogni sorta di geometrie interessanti, " Lin ha detto. "Si apre le possibilità."