Immagina se un materiale si organizzasse in una forma adatta alla sua applicazione, ad esempio, un catalizzatore che massimizza la propria superficie per una maggiore efficienza o un microattuatore che forma appendici per afferrare gli oggetti vicini. Questa è la promessa dell'autoassemblaggio:rendere complesso, materiali funzionali lasciando che la materia si formi. Ancora, non tutta la materia che si autoassembla in forme interessanti risulta avere una funzione utile nella sua forma finale. I ricercatori del gruppo Self-Organizing Matter hanno scoperto di recente che lo scambio ionico consente loro di separare il processo di autoassemblaggio dal materiale risultante. I loro risultati sono stati pubblicati in Materiale avanzato il 16 novembre ed evidenziato in Natura e Materiali per recensioni sulla natura .

Con le loro forme belle e intricate, i nanocompositi studiati dal gruppo Self-Organizing Matter sembrano piuttosto notevoli (vedi illustrazione). Ancora, dottorato di ricerca gli studenti Hans Hendrikse e Arno van der Weijden volevano più che belle strutture e avevano voglia di utilizzare anche la funzionalità dei nanocompositi. Incoraggiati dalla modellabilità e dalla disposizione strutturale dei loro nanocompositi, hanno iniziato a studiare le opzioni insieme ai ricercatori dell'Università di Amsterdam, ARNCL, Università di Leida e Virginia Tech.

Il team di ricerca ha iniziato con nanocompositi costituiti da carbonato di bario (BaCO ₃ ) nanocristalli incorporati in una silice (SiO ₂ ) e li ha convertiti in solfuro di cadmio (CdS). Primo, hanno stabilito un percorso per convertire in modo riproducibile i nanocompositi in questo materiale finale, mentre si studiano le proprietà dei nanocompositi durante lo scambio ionico. Attraverso l'analisi con la microscopia elettronica e la diffrazione dei raggi X, il team ha appreso qualcosa di affascinante:le piccole dimensioni del BaCO ₃ i nanocristalli li hanno resi eccezionalmente suscettibili alle reazioni di scambio ionico, mentre il SiO . circostante ₂ matrice ha fornito stabilità meccanica per mantenere la forma del nanocomposito originale durante la conversione. Hans Hendrikse dice, "è quasi come se stessimo cambiando alcuni dei mattoni di una casa mantenendo intatta la struttura generale".

Sulla base di queste intuizioni, espandere la selezione dei materiali è stato semplice e sono stati sviluppati nuovi percorsi per modificare la composizione del nanocomposito in vari cadmio, ferro da stiro, sali di nichel e manganese. Inoltre, il nanocomposito originale può essere modellato in un'ampia selezione di forme predeterminate. Tutte queste forme possono essere convertite in una qualsiasi delle suddette composizioni. Quindi non solo è possibile convertire i nanocompositi, c'è anche una varietà di materiali e forme tra cui scegliere in modo intercambiabile.

Finalmente, il team ha esplorato le potenziali applicazioni di questo nuovo approccio. Ad esempio, hanno scoperto che i nanocompositi contenenti nichel possono essere utilizzati come catalizzatori per il processo di riformazione a secco, che supera i catalizzatori tradizionali a basse temperature. Per di più, il team ha sintetizzato magnetite a forma controllata (Fe ₃ oh ₄ ) nanocompositi che possono essere spostati e riorientati sfruttando le loro proprietà magnetiche. Finalmente, hanno creato attuatori microscopici attivati ​​da fascio elettronico utilizzando la flessibilità introdotta durante una delle reazioni di scambio ionico insieme alle proprietà di restringimento della matrice di silice. In breve, hanno scoperto reazioni di scambio ionico che preservano la forma che aprono nuove strade verso materiali autoassemblati con vari nuovi, proprietà funzionali.