Gli scienziati dei materiali della Duke University hanno teorizzato un nuovo approccio "olio e aceto" all'ingegneria di materiali autoassemblanti di architetture insolite fatte di nanoparticelle sferiche. Le strutture risultanti potrebbero rivelarsi utili per applicazioni in ottica, plasmonica, elettronica e catalisi chimica multistadio.

Il nuovo approccio è apparso online il 25 marzo sulla rivista ACS Nano .

Lasciati alle proprie tendenze, un sistema di nanoparticelle sferiche sospese progettate per aggregarsi cercherà di massimizzare i loro punti di contatto impacchettandosi il più strettamente possibile. Ciò si traduce nella formazione di cluster casuali o di un tridimensionale, struttura cristallina.

Ma gli scienziati dei materiali spesso vogliono costruire strutture più aperte di dimensioni inferiori, come stringhe o fogli, sfruttare alcuni fenomeni che possono verificarsi negli spazi tra diversi tipi di particelle. E sono sempre alla ricerca di modi intelligenti per controllare con precisione le dimensioni e il posizionamento di quegli spazi e particelle.

Nel nuovo studio, Gaurav Arya, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke, propone un metodo che sfrutta gli strati formati da liquidi che, come una bottiglia di vinaigrette lasciata troppo a lungo sullo scaffale, rifiutare di mescolare insieme.

Quando nanoparticelle sferiche vengono inserite in un tale sistema, tendono a formare un unico strato all'interfaccia dei liquidi opposti. Ma non devono restare lì. Attaccando molecole di "olio" o "aceto" alle superfici delle particelle, i ricercatori possono farli galleggiare di più su un lato della linea di demarcazione rispetto all'altro.

"Le particelle vogliono massimizzare il loro numero di contatti e formare strutture simili a voluminose, ma allo stesso tempo, l'interfaccia dei diversi liquidi sta cercando di forzarli in due strati, " disse Arya. "Quindi hai una competizione di forze, e puoi usarlo per formare diversi tipi di strutture uniche e interessanti."

L'idea di Arya è di controllare con precisione la quantità di repulsione di ciascuna nanoparticella sferica da un liquido o dall'altro. E secondo i suoi calcoli, alterando questa proprietà insieme ad altre come la composizione e la dimensione delle nanoparticelle, gli scienziati dei materiali possono creare ogni sorta di forme interessanti, da sottili strutture simili a molecole a strutture a zig-zag in cui si toccano solo due nanoparticelle alla volta. Si potrebbe anche immaginare diversi strati che lavorano insieme per organizzare un sistema di nanoparticelle.

Nel documento di prova, le nanoparticelle potrebbero essere fatte di qualsiasi cosa. L'oro o i semiconduttori potrebbero essere utili per dispositivi plasmonici ed elettrici, mentre altri elementi metallici potrebbero catalizzare varie reazioni chimiche. I substrati opposti che formano l'interfaccia, nel frattempo, sono modellati su vari tipi di polimeri che potrebbero essere utilizzati anche in tali applicazioni.

"Finora in questo documento, abbiamo solo introdotto l'approccio di assemblaggio e dimostrato il suo potenziale per creare questi arrangiamenti esotici che normalmente non otterresti, " disse Arya. "Ci sono così tante altre cose da fare dopo. Per uno, vorremmo esplorare l'intero repertorio di possibili strutture e fasi che i ricercatori potrebbero realizzare utilizzando questo concetto. Stiamo anche lavorando a stretto contatto con gli sperimentatori per testare le piene capacità di questo approccio".