Costruire su scala nanometrica non è come costruire una casa. Gli scienziati spesso iniziano con strati molecolari bidimensionali e li combinano per formare complesse architetture tridimensionali. E invece di chiodi e viti, queste strutture sono unite insieme dalle attraenti forze di van der Waals che esistono tra gli oggetti su scala nanometrica.

Le forze di Van der Waals sono fondamentali nella costruzione di materiali per lo stoccaggio di energia, sensori biochimici ed elettronica, sebbene siano deboli rispetto ai legami chimici. Svolgono anche un ruolo cruciale nei sistemi di somministrazione dei farmaci, determinare quali farmaci si legano ai siti attivi nelle proteine.

In una nuova ricerca che potrebbe aiutare a informare lo sviluppo di nuovi materiali, I chimici di Cornell hanno scoperto che lo spazio vuoto ("pori") presente nei blocchi molecolari bidimensionali cambia fondamentalmente la forza di queste forze di van der Waals, e può potenzialmente alterare l'assemblaggio di sofisticate nanostrutture.

I risultati rappresentano una strada inesplorata verso il governo dell'autoassemblaggio di complesse nanostrutture da blocchi di costruzione bidimensionali porosi. "Speriamo che una comprensione più completa di queste forze aiuti nella scoperta e nello sviluppo di nuovi materiali con funzionalità diverse, proprietà mirate, e applicazioni potenzialmente nuove, " ha detto Robert A. DiStasio Jr., assistente professore di chimica presso il College of Arts and Sciences.

In un articolo intitolato "Influenza della dimensione dei pori sull'interazione di van der Waals in molecole e materiali bidimensionali, " pubblicato il 14 gennaio in Lettere di revisione fisica , DiStasio, Lo studente laureato Yan Yang e il socio postdottorato Ka Un Lao descrivono una serie di modelli matematici che affrontano la questione di come lo spazio vuoto influenzi fondamentalmente le forze fisiche attrattive che si verificano su distanze nanometriche.

In tre sistemi modello prototipo, i ricercatori hanno scoperto che particolari dimensioni dei pori portano a comportamenti inaspettati nelle leggi fisiche che governano le forze di van der Waals. Ulteriore, loro scrivono, questo comportamento "può essere regolato variando le dimensioni e la forma relative di questi spazi vuoti ... [fornendo] nuove informazioni sull'autoassemblaggio e sulla progettazione di nanostrutture complesse".

Mentre i forti legami covalenti sono responsabili della formazione di strati molecolari bidimensionali, Le interazioni di van der Waals forniscono la principale forza di attrazione tra gli strati. Come tale, Le forze di van der Waals sono in gran parte responsabili dell'autoassemblaggio delle complesse nanostrutture tridimensionali che costituiscono molti dei materiali avanzati oggi in uso.

I ricercatori hanno dimostrato le loro scoperte con numerosi sistemi bidimensionali, compresi quadri organici covalenti, che sono dotati di pori regolabili e potenzialmente molto grandi.

"Sono sorpreso che la complicata relazione tra lo spazio vuoto e le forze di van der Waals possa essere razionalizzata attraverso modelli così semplici, " disse Yang. "Nello stesso respiro, Sono davvero entusiasta delle nostre scoperte, poiché anche piccoli cambiamenti nelle forze di van der Waals possono influenzare notevolmente le proprietà di molecole e materiali".