Quando porti a casa una scatola dal negozio di mobili, non ti aspetti le viti, lamelle, e altri pezzi per convergere magicamente in un letto o un tavolo. Eppure questa auto-assemblea si verifica ogni giorno in natura. Niente dice agli atomi di legarsi insieme; niente dice al DNA come formarsi. I materiali viventi contengono le stesse istruzioni e la capacità di diventare un insieme più grande.

"L'autoassemblaggio è il processo universale mediante il quale in natura vengono messe insieme strutture molto complesse. Sono dinamiche, sono multifunzionali, sono adattabili, " ha detto Nick Kotov, un ricercatore dell'Università del Michigan.

Sbloccare l'autoassemblaggio potrebbe consentirci di creare materiali che non esistono in natura e che attualmente non possiamo creare noi stessi.

Utilizzando l'autoassemblaggio, gli scienziati potrebbero creare materiali personalizzati che sono sia versatili come i sistemi biologici che resistenti come quelli industriali. Questi materiali potrebbero essere utilizzati in migliori depuratori d'acqua, celle solari più efficienti, catalizzatori più veloci che migliorano la produzione, ed elettronica di nuova generazione. L'uso dell'autoassemblaggio nella produzione potrebbe anche portare a processi più economici ed efficienti.

"Vogliamo realizzare materiali sintetici che rivaleggiano con ciò che vediamo in natura, " ha detto Ron Zuckermann, un ricercatore presso la Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia (DOE). "I sistemi biologici sono molto sensibili e fragili. Vogliamo realizzare materiali robusti di livello industriale che possano fare le stesse cose [che fanno]".

Ma gli scienziati non possono creare cose che combinino il meglio delle caratteristiche biologiche e sintetiche da qualsiasi sostanza. È probabile che le nanoparticelle siano la chiave. Quando gli scienziati assemblano queste minuscole particelle in fogli o tubi, il prodotto finale è spesso alto solo un atomo. A causa delle loro dimensioni, le nanoparticelle agiscono in modo diverso rispetto a grandi quantità dello stesso materiale. Per esempio, un pezzo d'oro non disperde la luce come fa un diamante. Ma le nanoparticelle d'oro diffondono molto bene la luce, rendendoli utili nei microscopi elettronici. A differenza dei materiali normali, gli scienziati possono controllare le caratteristiche delle nanoparticelle modificandone le dimensioni e la forma.

Proprio adesso, l'industria può utilizzare solo un tipo di nanoparticella alla volta. Questo è quello che vedi nelle creme solari e nei tessuti che utilizzano nanoparticelle. Però, per costruire materiali personalizzati, gli scienziati hanno bisogno di far interagire più tipi di nanoparticelle. Attualmente, l'unico modo per farlo è costruire questi materiali particella per particella. Questo è un processo che richiede molto tempo.

Per espandere le potenziali applicazioni delle nanoparticelle, l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia sostiene la ricerca per sfruttare l'autoassemblaggio. Poiché le nanoparticelle di metalli o semiconduttori non si autoassemblano nello stesso modo dei sistemi viventi, gli scienziati stanno esaminando le loro differenze e somiglianze.

Costruzione spontanea

Alcuni materiali, scienziati hanno scoperto, si autoassemblano se li metti insieme in una soluzione liquida. Si incastrano come per magia. Ma sta ai ricercatori capire quali materiali e soluzioni mescolare insieme per dare le forme e le caratteristiche di cui hanno bisogno.

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del DOE hanno scoperto una famiglia di polimeri sintetici che formano nanotubi cavi quando vengono messi in acqua. I nanotubi potrebbero migliorare i catalizzatori, trasportare altre nanotecnologie, e spostare gli antibiotici attraverso il corpo. Questa scoperta potrebbe anche portare alla realizzazione di nanostrutture che svolgono l'enorme numero di funzioni che svolgono le proteine, ma sono più robusti e duraturi delle proteine.

"Sono davvero entusiasta della capacità di creare materiali che imitano le proteine, ", ha detto Zuckermann.

Questi nanotubi presentano due vantaggi principali rispetto ai precedenti. Gli scienziati potrebbero manipolarli per avere una lunghezza e un diametro coerenti. Questo è essenziale per costruire strutture più grandi con applicazioni più pratiche. I tubi cavi si sono formati anche in un modo che li rende meno inclini a collassare in un cilindro solido.

Uno sforzo simile presso l'Università del Michigan ha trovato una forma di solfuro di cadmio, che viene utilizzato per realizzare pannelli solari, che si autoassembla in conchiglie in acqua moderatamente basica. I sistemi viventi utilizzano nanoshell per funzioni essenziali, come controllare la posizione delle reazioni chimiche. I gusci sintetici, che sono circa la metà del diametro di un virus, potrebbe essere utilizzato nella terapia genica. I ricercatori dell'Università del Michigan hanno modellato i gusci presso la struttura utente del National Energy Research Scientific Computing Center del DOE Office of Science prima di crearli in laboratorio.

DNA e minuscoli diamanti:le guide più piccole che si possano immaginare

Sfortunatamente, l'autoassemblaggio spontaneo dipende fortemente dalle caratteristiche delle particelle. Usa particelle diverse, e l'autoassemblaggio formerà strutture diverse o non si verificherà affatto.

Ma i ricercatori stanno esaminando un approccio diverso che funzionerà indipendentemente dal tipo di particella che utilizzano. Con questo metodo, gli scienziati collegano un materiale che vuole autoassemblarsi a un diverso nanomateriale che non lo fa. I materiali che si vogliono assemblare si comportano come le strisce di velcro usate per appendere i quadri. Normalmente, le immagini e il muro non si univano. Ma applicando una striscia di velcro a ciascuno e spingendo su di essi, si bloccano in posizione. Con questo metodo, gli scienziati potrebbero collegare qualsiasi tipo di nanoparticelle e farlo nella forma che desiderano.

Il DNA è una delle forme più promettenti di questo nano-Velcro. Scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven National Laboratory, stanno studiando questo metodo.

"Usando il DNA, possiamo istruire le particelle come connettersi tra loro, " ha detto Oleg Gang, un ricercatore CFN e professore della Columbia University. Quando gli scienziati attaccano il DNA sintetico alle nanoparticelle, i filamenti di DNA si accoppiano nello stesso modo in cui lo fanno in ogni cosa vivente, portando con sé le nanoparticelle.

"È uno strumento 'intelligente', " disse Fang Lu, un ricercatore CFN. "Possiamo progettare che tipo di legame è attraente, che tipo di legame è ripugnante."

In uno studio del 2015, gli scienziati hanno usato il DNA per collegare diversi tipi di forme di nanoparticelle. Mentre le sfere normalmente si attaccano solo alle sfere, l'uso del DNA ha permesso loro di connettersi anche con i blocchi.

Dopo di che, i ricercatori sono passati alla creazione di fotogrammi 3D dal DNA. Questo studio ha portato ciò che avevano appreso sul collegamento di forme diverse insieme al livello successivo. Primo, gli scienziati hanno posizionato una nanoparticella con alcuni DNA a singolo filamento che penzolavano da essa in ogni angolo di un telaio di DNA sintetico. Questi filamenti collegavano le particelle, riunendo le particelle e le cornici per formare oggetti tridimensionali. Collegando telai che avevano una varietà di forme:cubi, ottaedri, e tetraedri:gli scienziati potrebbero formare diverse architetture 3D. Questo metodo potrebbe portare a materiali che l'industria potrebbe utilizzare per manipolare la luce, velocizzare le reazioni chimiche, e influenzare i processi biologici.

Ora, gli scienziati stanno usando questi telai per costruire nanoforme 3D personalizzate. Finora, hanno saputo disegnare zig-zag, figure stilizzate, e altri disegni. Attaccando una nanoparticella d'oro al centro di ogni fotogramma, hanno persino creato una struttura cristallina simile a quella vista nei diamanti. Gli scienziati sperano che modificando le configurazioni e aggiungendo nuovi tipi di particelle, possono ottenere ancora più caratteristiche.

Presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE, i ricercatori stanno usando loro stessi piccoli diamanti. Hanno scoperto come autoassemblare "diamanti" nei più piccoli nanofili mai realizzati che siano ancora abbastanza stabili da soddisfare le esigenze degli scienziati. A differenza dei nanofili più piccoli, gli scienziati possono immagazzinare quelli diamonoidi nell'aria senza che si rompano o disperderli in solventi senza modificarne la struttura.

"La cosa davvero scioccante è stata che abbiamo ottenuto questa bellissima sezione trasversale di tre atomi di nanofili, " ha detto Nick Melosh, un ricercatore SLAC. In confronto, i più piccoli nanofili di carbonio sono larghi 10 atomi.

Per realizzare questi nanofili, gli scienziati hanno attaccato un atomo di zolfo alle particelle di diamante su scala molecolare. Quando hanno messo questa combinazione in una soluzione con ioni di rame, lo zolfo si aggrappò al rame. Questo ha creato l'elemento base del nanofilo:una gabbia diamantata che trasporta atomi di rame e zolfo. I diamonoidi nei blocchi separati si sono poi riuniti spontaneamente, trascinando le altre nanoparticelle. Questo ha formato il nanofilo.

La prossima grande sfida è utilizzare l'autoassemblaggio per progettare materiali in grado di risolvere problemi specifici, come catturare il giusto tipo di luce per le celle solari, o filtrando i microbi dall'acqua.

"[Voglio] sviluppare metodi per creare sistemi che hai nella tua immaginazione. Ed è molto, molto ispirante, " ha detto Gang.