Sia in fisica, mettalurgia, gemmologia o ingegneria, le applicazioni dei cristalli sono molto ampie. Un gruppo di ricerca composto da Christos Likos e Lorenzo Rovigatti della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna, in collaborazione con il National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) e la Princeton University (USA) hanno sviluppato un nuovo metodo per assemblare grandi, cristalli periodici. I risultati sono stati pubblicati sul giornale ACS Nano .

I cristalli sono materiali solidi composti da microscopici elementi costitutivi disposti in schemi altamente ordinati. Hanno innumerevoli applicazioni, che vanno dalla metallurgia alla gioielleria all'elettronica. Molte delle proprietà che rendono utili i cristalli dipendono dal modello dettagliato di disposizione dei loro costituenti, quale, a sua volta, è molto sensibile ai dettagli dell'interazione tra gli elementi costitutivi. Nei cristalli molecolari e atomici le forze interparticellari sono fissate dalla Natura, e l'unico modo per regolare la disposizione microscopica è variare le condizioni esterne (temperatura, pressione, ecc.) o modificare le particelle stesse. Al contrario, Fisica della materia insoft , dove i mattoni sono ordini di grandezza più grandi e molto più complessi degli atomi, è possibile progettare e ingegnerizzare blocchi di costruzione con proprietà estremamente regolabili. Di conseguenza, molto sforzo è stato dedicato alla sintesi di colloidi che si autoassemblano in schemi altamente simmetrici con proprietà tecnologicamente rilevanti. Ad esempio, esistono reticoli cristallini specifici che esibiscono proprietà ottiche molto eccitanti, i cosiddetti cristalli fotonici – strutture periodiche che consentono a determinate bande di lunghezze d'onda della luce di propagarsi al loro interno bloccandone altre.

Un esempio naturale di cristallo fotonico è l'opale, la cui affascinante colorazione è dovuta al modo in cui la luce interagisce con la sua struttura microscopica di particelle colloidali disposte su un reticolo regolare. L'iridescenza multicolore del prezioso opale, la fonte del suo aspetto affascinante, è dovuto alla presenza di numerosi piccoli cristalli, noti come cristalliti, che sono casualmente orientati l'uno rispetto all'altro. Inoltre, l'assemblaggio dei cristalli colloidali è spesso confuso dal polimorfismo:"Strutture diverse sono caratterizzate da stabilità termodinamiche comparabili, rendendo difficile produrre un'unica morfologia a piacimento", dice Christos Likos della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna.

La conseguente mancanza di ordine a lungo raggio è dannosa per molte applicazioni. Di conseguenza, devono essere sviluppate strategie che favoriscano la crescita di lungo raggio, campioni monocristallini in esperimenti (reali o numerici). Di conseguenza, gli scienziati hanno lavorato duramente per sviluppare strategie che migliorano la crescita di grandi, strutture monocristalline. Utilizzando simulazioni al computer, è stato ora sviluppato un nuovo metodo che consente l'assemblaggio di dispositivi tecnologicamente rilevanti, cristalli non polimorfici. "Il sistema si cristallizza in una miscela di microcristalli di differenza. Tuttavia, le strutture concorrenti assemblate dai colloidi hanno differenti geometrie e differenti distribuzioni dei vuoti interni. Questa differenza può essere sfruttata regolando la dimensione dell'additivo polimerico per interagire in modo univoco con la simmetria del vuoto del cristallo desiderato, stabilizzandolo efficacemente contro il concorrente", spiega Lise-Meitner Fellow Lorenzo Rovigatti, lavorando presso il gruppo di Christos Likos.

I risultati del gruppo di ricerca servono non solo a illustrare un'alternativa agli approcci esistenti che, in molti casi, produrre risultati insoddisfacenti, ma anche per guidare le realizzazioni sperimentali di cristalli aperti colloidali altamente ordinati nel prossimo futuro.