Le particelle microscopicamente piccole possono autoassemblarsi spontaneamente in complesse strutture stratificate con proprietà notevoli, secondo i calcoli effettuati presso la TU Wien.

Ci sono molti modi per creare nuovi, materiali innovativi. Uno dei più interessanti è un processo per cui minuscole particelle si autoassemblano per formare strutture complesse. Questo processo, denominato "auto-organizzazione, " apre alcune notevoli opportunità, come è stato ora dimostrato dalle simulazioni al computer eseguite presso la TU Wien. Semplici macromolecole sono in grado di formare sistemi a strati che possono essere contemporaneamente solidi e liquidi in un ampio intervallo di temperature.

Spese ripugnanti e attraenti

"Il concetto di base è quello ampiamente sfruttato in natura, " spiega il professor Gerhard Kahl dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien. "Virus e batteri spesso presentano cariche superficiali. Ciò significa che si attraggono o si respingono a vicenda, a seconda del tipo di carica che stanno portando. Di conseguenza, legame selettivo può verificarsi tra queste entità, permettendo loro di assemblarsi in interessanti, strutture funzionali».

Un processo simile è possibile anche con particelle artificiali, ad esempio piccole sfere (colloidali) alle quali viene applicata una carica elettrica positiva in due regioni superficiali opposte. Se le condizioni ambientali sono adeguate, tali particelle possono autoassemblarsi per formare uno strato bidimensionale. Le particelle quindi diventano strettamente imballate, formando un motivo esagonale, con le regioni superficiali cariche delle particelle allineate in modo da formare forti legami attrattivi. Questo schema di incollaggio rende lo strato estremamente stabile.

Come hanno dimostrato Emanuela Bianchi e Silvano Ferrari del gruppo di lavoro di Gerhard Kahl, questo permette che si verifichi un fenomeno interessante, vale a dire che più strati di questo tipo possono poi unirsi contemporaneamente. Ulteriori particelle possono quindi occupare posizioni tra gli strati, stabilendo forti legami tra questi strati. Queste particelle leganti fissano gli strati in posizione, il che significa che non possono più spostarsi l'uno rispetto all'altro; quindi una stalla, la struttura multistrato si forma in modo completamente autonomo attraverso l'auto-organizzazione di particelle casuali che passano per caso.

Sia solido che liquido:il mini wafer al cioccolato

Le particolarità di queste strutture si manifestano all'aumentare della temperatura:"I legami all'interno dei singoli strati sono molto più forti dei legami tra gli strati, " spiega Gerhard Kahl. "Se la temperatura viene aumentata, sono i legami più deboli tra gli strati che si rompono per primi; le particelle possono quindi muoversi liberamente come un liquido mentre gli strati stessi rimangono stabili." Questo effetto è simile a un wafer al cioccolato nella calura estiva, con cioccolato liquido racchiuso tra solidi, strati di wafer stabili. "Questo è un fenomeno notevole. Abbiamo a che fare con un materiale unico che consiste in un solo tipo di particelle, ma può formare una struttura che comprende allo stesso tempo sia strati solidi che liquidi".

Questo scenario può essere osservato in un ampio intervallo di temperature; è solo quando la temperatura è così alta che anche i legami stabili all'interno dei singoli strati si rompono che la struttura si sfalda e si scioglie completamente. Fino ad allora, il sistema dimostra un'eccezionale capacità di autoriparazione:anche se danneggiato, viene presto riparato automaticamente da particelle che passano casualmente.

Sono già iniziati gli esperimenti per testare i potenziali usi di queste nuove idee. Ci sono molti usi possibili per strutture di questo tipo. "Tali strutture ci permetterebbero di controllare con precisione il trasporto di particelle tramite subalterni cambiamenti di temperatura, " dice Gerhard Kahl. Questo potrebbe essere usato in medicina, Per esempio, per trasportare i farmaci esattamente nel punto appropriato del corpo.