Gli organismi biologici sono le macchine più complesse che conosciamo, e sono in grado di realizzare funzioni impegnative con grande efficienza.

Un tema comune in queste biomacchine è che tutto ciò che è importante accade a livello delle singole molecole, ovvero, su scala nanometrica.

La funzionalità di questi biosistemi si basa sull'autoassemblaggio, ovvero, molecole che interagiscono in modo preciso e selettivo tra loro per formare strutture ben definite. Un esempio ben noto di questo fenomeno è la struttura a doppia elica del DNA.

Ora, ispirati ai biosistemi autoassemblanti, un gruppo internazionale di scienziati tra cui i fisici FLEET ha creato un nuovo, a base di carbonio, nanomateriale autoassemblato, che potrebbe essere la chiave per le nuove tecnologie fotovoltaiche e di catalisi.

Utilizzando l'autoassemblaggio, i ricercatori sono stati in grado di progettare, con precisione su scala atomica, una nuova nanostruttura 1-D composta da molecole organiche (a base di carbonio) e atomi di ferro.

I risultati sono descritti in due studi pubblicati questo mese in Comunicazioni sulla natura e ACS Nano .

Precisione su scala atomica tramite autoassemblaggio:un percorso verso la funzionalità

"Fabbricare nanomateriali controllando la posizione di singoli atomi e molecole uno alla volta è molto noioso, se non impossibile, " dice lo scienziato capo Dr. Agustin Schiffrin, docente senior presso la Monash University e investigatore capo della FLEET.

"Anziché, possiamo creare strutture atomicamente precise tramite l'autoassemblaggio, scegliendo le molecole giuste, atomi e condizioni di preparazione."

"Questo ha il vantaggio che non è richiesto alcun intervento esterno, " spiega il dottor Schiffrin.

Tale capacità di autoassemblaggio deriva dall'utilizzo di prodotti organici (cioè, molecole a base di carbonio) come costruzione di nano-unità.

La forma, le dimensioni e i gruppi funzionali interagenti di queste molecole organiche possono essere sintonizzati in un numero quasi infinito di modi utilizzando la chimica sintetica organica.

Il controllo delle interazioni tra le molecole porta alla creazione del desiderato, nanostruttura ben definita, analogamente al modo in cui le interazioni tra gli acidi nucleici nel DNA danno origine alla doppia elica.

"Possiamo così costruire materiali con un preciso, struttura ingegnerizzata, che si traduce nel materiale con le proprietà elettroniche desiderate, " afferma la coautrice Marina Castelli, un dottorato di ricerca studente presso la School of Physics and Astronomy della Monash University.

"Proprio come le funzioni dei bio-organismi dipendono dalle interazioni su nanoscala, le proprietà fisiche ed elettroniche di questi nuovi materiali derivano dalla loro struttura a livello di singola molecola, " spiega il dottor Cornelius Krull, ricercatore di Monash.

Dal basso verso l'alto batte dall'alto verso il basso

Metodi convenzionali per la nanofabbricazione di materiali, come la litografia, fare affidamento su approcci "top-down", con materiali modellati per rimozione di materia. Tali metodi sono limitati a risoluzioni dell'ordine di 1 nanometro al massimo.

Anziché, i metodi "bottom-up" possono consentire la risoluzione del patterning sub-nanometrico, con il potenziale per un livello più elevato di controllo ed efficienza delle proprietà elettroniche.

Inoltre, l'applicazione di approcci di sintesi "dal basso verso l'alto" con una superficie come substrato consente di ottenere nanostrutture con proprietà che non possono essere ottenute con i metodi sintetici convenzionali.

I nanomateriali basati su complessi molecolari metallo-organici consentono una vasta gamma di funzionalità utili, sia tecnologico che biologico, dalla catalisi al fotovoltaico al rilevamento e stoccaggio del gas.

In questi sistemi, la morfologia su scala atomica e la configurazione elettronica del motivo di coordinazione metallo-organica giocano un ruolo cruciale, determinando le loro proprietà elettroniche e chimiche complessive.

I due studi

Il documento "Progettazione delle proprietà optoelettroniche mediante sintesi sulla superficie:formazione e struttura elettronica di un complesso macromolecolare ferro-terpiridina, " pubblicato in ACS Nano , descrive la dipendenza energetica e spaziale degli stati elettronici (occupato e non occupato) della nanostruttura metallo-organica a base di ferro 1-D, in una fascia energetica prossima al livello di Fermi, che può essere utile per applicazioni optoelettroniche come il fotovoltaico, dispositivi fotocatalitici ed emettitori di luce.

Studiare struttura e chimica a livello di singolo atomo L'articolo, "Nanostrutture metallo-organiche trinucleari a base di ferro su una superficie con accumulo di carica locale, " pubblicato in Comunicazioni sulla natura , descrive su scala atomica la struttura intramolecolare e la distribuzione di carica del motivo di coordinazione ferro-molecola non banale, utile per applicazioni di catalisi.