(Phys.org)—Per la prima volta, i ricercatori hanno simulato particelle che possono autoassemblarsi spontaneamente in reti che formano disposizioni geometriche chiamate tasselli di Archimede. La chiave per realizzare queste strutture è una strategia chiamata minimal positive design, in cui si tiene conto sia della geometria che della selettività chimica delle particelle. Il processo ha applicazioni nell'autoassemblaggio molecolare, che un giorno potrebbe essere utilizzato per costruire una varietà di tecnologie su scala nanometrica.

Stephen Whitelam, un ricercatore presso la Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory, ha pubblicato un articolo sulla strategia minima di progettazione positiva per piastrelle di Archimede autoassemblanti in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

In precedenza, i ricercatori hanno autoassemblato con successo particelle in piastrelle platoniche, che sono disposizioni più semplici costituite da matrici periodiche regolari di una singola forma, come quadrati, triangoli, o esagoni. Per fare questo, i ricercatori utilizzano una strategia chiamata progettazione positiva, in cui viene promossa la struttura desiderata in base alla geometria delle particelle. Quando le particelle vengono combinate e raffreddate, si autoassemblano spontaneamente in tasselli platonici a causa di una varietà di sostanze chimiche sottostanti, fisico, e interazioni termodinamiche.

Particelle autoassemblanti nella disposizione più semplice, piastrelle di Archimede, è molto più difficile. Le piastrelle di Archimede sono composte da due o tre forme diverse, e un solo tipo di vertice (quindi se hai ingrandito i punti di intersezione, sembrerebbero tutti uguali, con gli stessi angoli nello stesso ordine). Ci sono otto tipi di piastrelle di Archimede, e la nuova strategia di design può costruirli tutti e otto.

L'aspetto nuovo della nuova strategia di design è l'elemento "minimal", che si riferisce alla selettività chimica. Whitelam ha scoperto che se si identificano tutte le interazioni interparticellari coinvolte in una disposizione desiderata, e quindi selezionare le particelle con solo quelle interazioni e nessun altro, quindi con un semplice protocollo di raffreddamento le particelle si autoassemblano nella struttura desiderata. L'aspetto "positivo" della strategia è che funziona promuovendo la struttura desiderata, e non richiede la soppressione di tutte le molte possibili strutture indesiderate.

Le simulazioni hanno anche mostrato che, se non si tiene conto della selettività chimica, quindi le particelle non si autoassemblano nelle piastrelle di Archimede, dimostrando che la selettività chimica è fondamentale per realizzare queste strutture.

"I risultati mostrano che è necessaria una 'specificità chimica' delle interazioni per autoassemblare alcuni semplici, strutture regolari, "Whitelam ha detto Phys.org . "Volevo scrivere un articolo sulla quantità di "informazioni" che è necessario "programmare" in una particella per consentirle di autoassemblarsi, in presenza di molte copie di se stesso, in una struttura desiderata.

"Il modo più semplice per piastrellare un piano è coprirlo con triangoli, o con quadrati, o con esagoni. Questi modelli sono chiamati tasselli platonici o regolari di Archimede. Altri autori hanno dimostrato che le particelle con determinate proprietà geometriche, con macchie appiccicose a determinati angoli, possono formare spontaneamente le reti equivalenti a queste tassellature, il che significa che se si tracciano linee tra i centri delle particelle, quindi l'immagine che ottieni sembra una piastrellatura.

"Il prossimo modo più semplice per coprire una superficie è con combinazioni di due o tre poligoni regolari, e questi modelli sono chiamati tasselli semi-regolari di Archimede (spesso solo tasselli di Archimede). Altri ricercatori hanno utilizzato simulazioni per dimostrare che le particelle con la geometria corretta da sole probabilmente non possono autoassemblarsi in tali strutture. Il mio lavoro conferma questo fatto, ma mostra che ciò che funziona è se le interazioni delle particelle sono chimicamente specifiche, il che significa che i cerotti adesivi si attaccano solo ad altri cerotti adesivi. In questo modo, le particelle evitano di commettere molti errori di rilegatura, e riescono a trovare la loro strada verso la struttura corretta."

interessante, la selettività chimica viene utilizzata anche per controllare le interazioni interparticellari tra le particelle biologiche, come proteine ​​e DNA.

"Un aspetto di questo risultato è già ampiamente noto:i ricercatori che utilizzano la nanotecnologia del DNA utilizzano abitualmente interazioni chimicamente specifiche mediate dal DNA per creare strutture complesse o più complesse delle piastrelle di Archimede, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

Nel futuro, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

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