Realizzato con nanofogli curvi in oro-cisteina che si attorcigliano tutti nella stessa direzione, la nanoparticella appuntita ha raggiunto la massima complessità misurata. Assorbe la luce UV ed emette luce distorta nella parte visibile dello spettro. Credito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Università del Michigan
Microparticelle sintetiche più complesse di alcune delle più complicate che si trovano in natura sono state prodotte da un team internazionale guidato dall'Università del Michigan. Hanno anche studiato come nasce questa complessità e hanno escogitato un modo per misurarla.
I risultati aprono la strada a miscele di fluidi e particelle più stabili, come vernici, e nuovi modi per distorcere la luce, un prerequisito per i proiettori olografici.
Le particelle sono composte da punte attorcigliate disposte in una sfera di pochi micron, o milionesimi di metro, attraverso.
La biologia è una grande creatrice di complessità su nano e microscala, con strutture appuntite come il polline delle piante, cellule immunitarie e alcuni virus. Tra le particelle naturali più complesse sulla scala delle nuove particelle sintetiche ci sono i coccolitofori appuntiti. Pochi micron di diametro, questo tipo di alghe è noto per la costruzione di intricate conchiglie calcaree attorno a sé. Per comprendere meglio le regole che governano il modo in cui crescono particelle come queste, scienziati e ingegneri cercano di realizzarli in laboratorio. Ma fino ad ora, non esisteva un modo formalizzato per misurare la complessità dei risultati.
"I numeri governano il mondo, ed essere in grado di descrivere rigorosamente forme appuntite e dare un numero alla complessità ci consente di utilizzare nuovi strumenti come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico nella progettazione di nanoparticelle, " ha detto Nicholas Kotov, il Professore di Ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka presso la U-M, che ha guidato il progetto.
Se i nanofogli di oro-cisteina sono progettati per rimanere piatti, il risultato è un design moderatamente complesso che i ricercatori hanno chiamato particella "kayak". Credito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Università del Michigan
Il team, che comprende ricercatori dell'Università Federale di São Carlos e dell'Università di São Paulo in Brasile, così come il California Institute of Technology e l'Università della Pennsylvania, hanno utilizzato la nuova struttura per dimostrare che le loro particelle erano persino più complicate dei coccolitofori.
Il braccio computazionale del team, guidato da André Farias de Moura, professore di chimica all'Università Federale, ha studiato le proprietà quantistiche delle particelle e le forze che agiscono sugli elementi costitutivi su scala nanometrica.
Uno degli attori chiave nella produzione della complessità può essere la chiralità:in questo contesto, la tendenza a seguire una torsione in senso orario o antiorario. Hanno introdotto la chiralità rivestendo fogli di solfuro d'oro su scala nanometrica, che fungevano da mattoni per la costruzione delle particelle, con un amminoacido chiamato cisteina. La cisteina si presenta in due forme speculari, uno spingendo i fogli d'oro ad impilare con una rotazione in senso orario, e l'altro tendente a una torsione in senso antiorario. Nel caso della particella più complessa, una palla appuntita con spine contorte, ogni lamina d'oro era rivestita con la stessa forma di cisteina.
Il team ha anche controllato altre interazioni. Utilizzando nanoparticelle piatte, hanno creato punte piatte anziché rotonde. Hanno anche usato molecole caricate elettricamente per garantire che i componenti su scala nanometrica si costruissero da soli in particelle più grandi, più grande di poche centinaia di nanometri di diametro, per repulsione.
Queste particelle relativamente semplici sorgono quando i nanofogli d'oro piatti si attaccano l'uno all'altro senza diverse restrizioni contrastanti. Credito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Università del Michigan
"Queste leggi spesso sono in conflitto tra loro, e la complessità emerge perché queste comunità di nanoparticelle devono soddisfarle tutte, " disse Kotov, professore di scienze e ingegneria dei materiali e di scienze e ingegneria macromolecolari.
E quella complessità può essere utile. I picchi su nanoscala su particelle come il polline impediscono loro di aggregarsi. Allo stesso modo, i picchi su queste particelle realizzati dal team di ricerca li aiutano a disperdersi praticamente in qualsiasi liquido, una proprietà utile per stabilizzare miscele solido/liquido come le vernici.
Le microparticelle con punte attorcigliate assorbono anche la luce UV ed emettono in risposta luce visibile attorcigliata o polarizzata circolarmente.
"La comprensione di queste emissioni è stata una delle parti più difficili dell'indagine, ", ha detto de Moura.
Dai risultati degli esperimenti e delle simulazioni, sembra che l'energia UV sia stata assorbita nel cuore delle particelle e trasformata attraverso interazioni quantomeccaniche, diventando luce visibile polarizzata circolarmente nel momento in cui è uscita attraverso le punte curve.
Il guscio calcareo prodotto dal coccolitoforo Syracosphaera anthos, una delle particelle più complesse su questa scala presenti in natura, è più intricato delle particelle di kayak ma meno intricato della particella sintetica appuntita. Per gentile concessione di mikrotax.org
I ricercatori ritengono che le tattiche che hanno scoperto possano aiutare gli scienziati a progettare particelle che migliorano i biosensori, l'elettronica e l'efficienza delle reazioni chimiche.
Lo studio è intitolato, "Emersione della complessità in particelle chirali gerarchicamente organizzate, " ed è pubblicato sulla rivista Scienza .
