I materiali formati su scale evanescenti vengono utilizzati in medicina, elettronica, produzione e una miriade di altre applicazioni. Ma gli scienziati hanno solo scalfito la superficie della comprensione di come controllare i mattoni su scala nanometrica, dove operano macchine semplici delle dimensioni di un virus.

Ora, un team di ricercatori guidati da Dongsheng Li, uno scienziato dei materiali al PNNL, e collaboratori dell'Università del Michigan e dell'Accademia cinese delle scienze, hanno svelato il segreto di una delle nanostrutture più utili:il cinque volte gemello. Il loro studio che descrive perché e come si forma questa forma è dettagliato nella rivista Scienza ed è stato presentato al meeting annuale della Materials Research Society il 5 dicembre, 2019.

Una sezione trasversale di una struttura gemella di cinque volte sembra tutto il mondo come una torta tagliata in cinque pezzi perfettamente simmetrici. I nanomateriali con questa struttura hanno già dimostrato di avere proprietà utili e sono utilizzati nella ricerca medica per contrassegnare con precisione i tumori cancerosi per l'imaging e il monitoraggio, e nell'elettronica, dove sono apprezzati per la loro resistenza meccanica.

"Le nanoparticelle naturali e sintetiche composte da cinque domini di cristalli gemellati hanno proprietà uniche, " disse Li, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Ma il meccanismo di formazione di queste cinque nanoparticelle gemellate è stato compreso male. Per la prima volta, abbiamo osservato direttamente la formazione di cinque gemelli in tempo reale e determinato il meccanismo con cui si formano".

Da quando gli scienziati hanno imparato a manipolare le molecole su scala nanometrica, hanno notato che i materiali tendono ad aggregarsi in determinate forme geometriche:fili, tubi, sfere, e cubetti si formano tutti con poco intervento. Ma perché?

Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione combinata con tecniche di simulazione della dinamica molecolare per sondare il motivo per cui le strutture si formano in questo modo. Nella maggior parte dei casi, le nanostrutture si formano troppo rapidamente per catturarle utilizzando tecniche di imaging sperimentali. Qui, il team ha implementato una strategia intelligente:ha costretto le molecole a muoversi più lentamente racchiudendole in una matrice organica simile alla melassa, e hanno osservato più di 200 eventi di formazione per catturare tutti i passaggi chiave del processo. Hanno scoperto due diversi meccanismi per formare nanostrutture quintuplicate, entrambi sono modellati dall'accumulo e dall'eliminazione della tensione verso una forma ideale che elimina ogni tensione.

"Il meccanismo che abbiamo elaborato è un percorso comune per la crescita dei cristalli che si verifica ampiamente in diversi sistemi come i metalli, semiconduttori, organici, e fasi biominerali, " disse Li. "Pertanto, ciò che abbiamo appreso dalla nostra osservazione può essere generalizzato a un'ampia gamma di materiali".

Ora che i ricercatori hanno catturato le forze di base che modellano la struttura, sperano di essere in grado di guidare più tipi di materiali in questa forma di torta molto utile.

"Speriamo di consentire la progettazione di nanostrutture con dimensioni e morfologia controllate, e per adattare le loro proprietà, " disse Li.