In un lavoro che sconvolge il design dei materiali, i ricercatori hanno dimostrato con simulazioni al computer che possono progettare un cristallo e lavorare a ritroso fino alla forma della particella che si autoassembla per crearlo.

Potrebbe portare a una nuova classe di materiali, come i rivestimenti in cristallo che producono colori che non sbiadiscono mai.

"Questi risultati capovolgono la progettazione dei materiali e la nostra comprensione dell'entropia, "ha detto Sharon Glotzer, l'Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering presso l'Università del Michigan e autore senior dell'articolo in Progressi scientifici .

I materiali con proprietà veramente nuove in genere devono essere scoperti per caso. Per esempio, ci è voluto un giocoso esperimento con nastro di cellophane e un pezzo di grafite per scoprire il grafene nel 2004, ora un materiale miracoloso vincitore del Nobel per la sua combinazione di forza, flessibilità, trasparenza e conducibilità.

Piuttosto che aspettare la serendipità, gli scienziati dei materiali vorrebbero inventare un materiale prodigioso e poi capire come realizzarlo. È questo approccio "inverso" alla progettazione dei materiali, lavorando a ritroso dalle proprietà desiderate, che il team chiama "alchimia digitale".

"Ci permette davvero di concentrarci sul risultato e sfruttare ciò che sappiamo per trovare un punto di partenza per costruire quel materiale, " ha detto Greg van Anders, un autore corrispondente sull'articolo e un assistente professore di fisica alla Queen's University di Kingston, Ontario. La ricerca è stata fatta mentre era in precedenza all'UM.

Glotzer è leader nello studio di come le nanoparticelle si autoassemblano attraverso il sorprendente meccanismo dell'entropia. Mentre l'entropia è comunemente pensata come una misura del disordine, Il team di Glotzer lo sfrutta per creare cristalli ordinati dalle particelle. Possono farlo perché l'entropia non è veramente disordine, ma piuttosto, è una misura di quanto sia libero il sistema. Se le particelle avessero molto spazio, sarebbero distribuite su di essa e orientate in modo casuale:la raccolta di particelle ha la massima libertà quando le singole particelle hanno la massima libertà.

Ma nei sistemi su cui si concentra Glotzer, le particelle non hanno molto spazio. Se sono orientati in modo casuale, la maggior parte di loro sarà intrappolata. Il sistema di particelle è più libero se le particelle si organizzano in una struttura cristallina. La fisica lo richiede, e le particelle obbediscono.

A seconda della forma delle particelle, Il team di Glotzer e altri hanno mostrato come è possibile ottenere una varietà di cristalli interessanti, alcuni simili ai cristalli di sale o ai reticoli atomici nei metalli, e alcuni apparentemente nuovi (come "quasicristalli, " che non hanno uno schema ripetuto). In passato, lo hanno fatto nel solito modo scegliendo una forma di particelle e simulando il cristallo che avrebbe creato. Hanno trascorso anni a scoprire le regole di progettazione che consentono alle particelle di determinate forme di costruire determinati cristalli.

Ora, l'hanno capovolto in modo da poter inserire una struttura cristallina nel loro nuovo programma, e dà loro una forma particellare che lo costruirà. Riformulando la domanda da "Che cristallo farà questa forma?" a "Questa forma creerà il mio cristallo?", il team ha esplorato più di 100 milioni di forme diverse nello studio.

"In un solo giorno, su un normale computer, siamo stati in grado di studiare più tipi diversi di particelle rispetto a quelli riportati nell'ultimo decennio, ", ha detto Van Anders.

Hanno usato il software per identificare le forme delle particelle per la costruzione di quattro reticoli cristallini comuni (semplici cubici, cubica a corpo centrato, cubico a facce centrate e diamante) e due reticoli più complessi (beta-manganese e beta-tungsteno). Quando questi hanno funzionato, hanno provato un reticolo che non è conosciuto in natura, uno dei loro progetti, una variazione del cristallo noto come "esagonale chiuso imballato".

Il team prevede che i nanoscienziati sperimentali saranno in grado di creare questi cristalli producendo un lotto di particelle nella forma giusta e aggiungendole a un fluido. Nel fluido, le nanoparticelle si assemblano da sole. Finché rimangono confinati, manterranno la loro struttura.

Ciò potrebbe portare a progressi nel colore strutturale creato dall'uomo, simile a come le ali delle farfalle producono i loro colori brillanti attraverso le interazioni con la luce. A differenza dei pigmenti, il colore strutturale non sbiadisce. Il colore potrebbe anche essere acceso e spento con un meccanismo per confinare le particelle in modo che formino il cristallo o dare loro spazio in modo che il cristallo si sfaldi.

Questa ricerca è riportata in Progressi scientifici in un articolo intitolato "Ingegneria dell'entropia per la progettazione inversa di cristalli colloidali da forme dure".