Gli scienziati sospettano da tempo che il modo in cui i materiali si comportano su scala nanometrica, ovvero quando le particelle hanno dimensioni di circa 1-100 nanometri, sia diverso da come si comportano su qualsiasi altra scala. Un nuovo articolo sulla rivista Scienze chimiche fornisce una prova concreta che è così.

Le leggi della termodinamica governano il comportamento dei materiali nel macromondo, mentre la meccanica quantistica descrive il comportamento delle particelle all'altro estremo, nel mondo dei singoli atomi ed elettroni.

Ma in mezzo, nell'ordine di circa 10-100, 000 molecole, sta succedendo qualcosa di diverso. Perché è una scala così piccola, le particelle hanno un rapporto superficie-volume davvero grande. Ciò significa che l'energia di ciò che accade in superficie diventa molto importante, tanto quanto fanno su scala atomica, dove viene spesso applicata la meccanica quantistica.

La termodinamica classica crolla. Ma poiché ci sono così tante particelle, e ci sono molte interazioni tra loro, neanche il modello quantistico funziona.

E poiché ci sono così tante particelle che fanno cose diverse allo stesso tempo, è difficile simulare tutte le loro interazioni usando un computer. È anche difficile raccogliere molte informazioni sperimentali, perché non abbiamo ancora sviluppato la capacità di misurare il comportamento su una scala così piccola.

Questo enigma diventa particolarmente acuto quando cerchiamo di capire la cristallizzazione, il processo mediante il quale le particelle, distribuito casualmente in una soluzione, può formare strutture cristalline altamente ordinate, date le giuste condizioni.

I chimici non capiscono davvero come funziona. Come fanno circa 1018 molecole, muovendosi in soluzione a caso, si uniscono per formare un cristallo ordinato di dimensioni da micro a millimetri? Forse più notevole è il fatto che nella maggior parte dei casi ogni cristallo è ordinato nello stesso modo ogni volta che si forma il cristallo.

Però, si scopre che a volte condizioni diverse possono produrre strutture cristalline diverse. Questi sono noti come polimorfi, e sono importanti in molti rami della scienza, inclusa la medicina:un farmaco può comportarsi in modo diverso nel corpo a seconda del polimorfo in cui è cristallizzato.

Quello che sappiamo finora sul processo, almeno secondo un modello ampiamente accettato, è che le particelle in soluzione possono unirsi per formare un nucleo, e una volta raggiunta una massa critica vediamo la crescita dei cristalli. La struttura del nucleo determina la struttura del cristallo finale, questo è, quale polimorfo otteniamo.

Quello che non abbiamo saputo fino ad ora è ciò che determina in primo luogo la struttura del nucleo, e questo avviene su scala nanometrica.

In questo documento, gli autori hanno utilizzato la meccanochimica – ovvero fresatura e macinazione – per ottenere particelle nanometriche, abbastanza piccolo da rendere significativi gli effetti di superficie. In altre parole, la chimica del nanomondo – quali strutture sono le più stabili a questa scala, e quali condizioni influiscono sulla loro stabilità, è stato studiato per la prima volta con esperimenti attentamente controllati.

E modificando le condizioni di fresatura, ad esempio aggiungendo una piccola quantità di solvente, gli autori sono stati in grado di controllare quale polimorfo è il più stabile. Professor Jeremy Sanders del Dipartimento di Chimica dell'Università di Cambridge, che ha condotto i lavori, ha detto "E 'emozionante che questi semplici esperimenti, se eseguita con grande cura, può aprire inaspettatamente una nuova porta alla comprensione della questione fondamentale di come gli effetti di superficie possono controllare la stabilità dei nanocristalli".

Joel Bernstein, Global Distinguished Professor di Chimica presso la NYU Abu Dhabi, e un esperto in crescita e struttura dei cristalli, spiega:"Gli autori hanno elegantemente mostrato come misurare e simulare sperimentalmente situazioni in cui si hanno due possibili nuclei, dire A e B, e determinare che A è più stabile. E possono anche mostrare quali condizioni sono necessarie perché queste stabilità si invertono, e che B diventi più stabile di A."

"Questa è davvero una notizia, perché non puoi fare quelle previsioni usando la termodinamica classica, e nemmeno questo è l'effetto quantistico. Ma facendo questi esperimenti, gli autori hanno iniziato a comprendere come si comportano le cose in questo regime di dimensioni, e come possiamo prevederlo e quindi controllarlo. La parte elegante dell'esperimento è che sono stati in grado di nucleare A e B in modo selettivo e reversibile".

Una delle parole chiave della sintesi chimica è "controllo". I chimici cercano sempre di controllare le proprietà dei materiali, che si tratti di fare una tintura o una plastica migliore, o un farmaco che è più efficace nel corpo. Quindi, se possiamo imparare a controllare come le molecole in una soluzione si uniscono per formare solidi, possiamo guadagnare molto. Questo lavoro è un primo passo significativo per ottenere quel controllo.