Quando le particelle si muovono in soluzione, iniziano a "sentire" interazioni da distanze paragonabili alle loro dimensioni. Il movimento correlato degli ioni spinge le nanoparticelle ad avvicinarsi l'una all'altra affrontando i lati corrispondenti. Quindi le stesse forze indotte dagli ioni dirigono regolazioni fini dell'orientamento reciproco delle particelle in modo che gli atomi sulle superfici siano disposti come un cristallo ideale. Quindi il solvente lascia lo spazio tra le particelle, e si forma un cristallo privo di difetti. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Guarda abbastanza da vicino, e vedrai schemi ingegnosi ovunque in natura. Scienziati e ingegneri lo hanno capito da tempo, ma imitare Madre Natura nella costruzione di tali modelli, in particolare la struttura cristallina altamente ordinata, si è dimostrato impegnativo. Recentemente, Maria Sushko e Kevin Rosso del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno notevolmente migliorato la comprensione chiarendo le forze trainanti dietro la crescita dei cristalli basata su particelle con il loro nuovo approccio computazionale. Hanno imparato che la crescita dei cristalli dipende dal sottile equilibrio delle interazioni tra gli atomi, ioni, molecole, e particelle. La loro scoperta rappresenta una promessa significativa per la creazione di materiali per affrontare le sfide energetiche.
Nei processi naturali di crescita dei cristalli, gli elementi costitutivi delle nanoparticelle si attaccano lungo specifiche facce di cristallo. Studiando questi esempi, i ricercatori sono stati ispirati a pensare a come creare strutture cristalline simili per una serie di applicazioni pratiche, compreso lo stoccaggio di energia. Armati di una maggiore comprensione dei processi fondamentali alla base dei percorsi di crescita dei cristalli, i ricercatori potrebbero controllare questi processi per sintetizzare nuovi materiali con dettagli precisi. Nella loro ricerca, Sushko e Rosso hanno scoperto che il movimento coordinato degli ioni vicino alle superfici delle nanoparticelle guida il modo in cui le nanoparticelle si dispongono in forme e strutture cristalline corrispondenti. Hanno scoperto che gli ioni in soluzione possono dirigere la rotazione delle nanoparticelle in un orientamento del cristallo corrispondente, imitando con precisione il modello della natura, per produrre cristalli perfetti.
La scoperta dei ricercatori del PNNL fornisce informazioni fondamentali sui processi geochimici che portano alla formazione di minerali, e aiuta a creare complessi, gerarchico, strutture monocristalline in laboratorio. È anche promettente per la creazione di materiali innovativi per l'elettronica di consumo, batterie, e altro ancora. Secondo Sushko, il loro nuovo approccio computazionale crea "un nuovo paradigma nella sintesi basata sulla conoscenza di strutture cristalline tridimensionali altamente ordinate" per una gamma di applicazioni pratiche nelle tecnologie di catalisi e accumulo di energia.
Rosso e Sushko hanno sviluppato un nuovo modello computazionale multiscala che comprende le forze essenziali che agiscono tra gli atomi, molecole, e particelle. Il loro approccio abbraccia le scale di lunghezza da Angstrom a mezzo micron ed è completamente trasferibile a un'ampia gamma di sistemi. Il metodo è profondamente radicato nella meccanica quantistica e fornisce un approccio privo di parametri per la modellazione di sistemi sperimentalmente rilevanti.
Il loro nuovo approccio computazionale è un passo importante verso lo sviluppo di una teoria completa della cristallizzazione basata sulle particelle. La ricerca futura estenderà il modello per includere una gamma più ampia di forze macroscopiche, come la polarizzazione magnetica ed elettrica. Il modello verrà ulteriormente applicato anche ad altri materiali per ottenere informazioni sui vari percorsi di cristallizzazione.
