I tetraedri formano domini esagonali con una rotazione destrorsa o sinistrorsa. Durante l'assemblaggio, le particelle si uniscono con le punte rivolte verso l'alto o verso il basso. Quando i punti si incontrano, le particelle devono scorrere l'una sull'altra per continuare ad avvicinarsi e questo movimento costringe tutte e sei le particelle in un esagono assemblato a ruotare casualmente a sinistra oa destra. Credito:Z. Cheng/Rice University
Le nanoparticelle a forma di tetraedro sono abbastanza interessanti di per sé, ma nelle giuste circostanze, gli scienziati della Rice University hanno scoperto che fanno qualcosa di straordinario.
Durante un controllo di routine su un lotto di minuscoli tetraedri d'oro, il chimico della Rice Matthew Jones e lo studente laureato Zhihua Cheng hanno scoperto che le loro particelle microscopiche avevano la capacità imprevista di organizzarsi in sovrastrutture chirali 2D.
La scoperta, che è dettagliata in un nuovo studio in Nature Communications , è probabilmente il primo autoassemblaggio spontaneo conosciuto di una struttura chirale planare, ha detto Jones.
Le strutture chirali sono specchi opposti, forme simili, come la mano destra e la mano sinistra, che non possono essere sovrapposte l'una all'altra. È una distinzione importante nella progettazione di farmaci, in cui le molecole chirali possono essere terapeutiche in una mano e tossiche nell'altra.
I tetraedri stessi non sono chirali, cioè possono essere sovrapposti alle loro immagini speculari. Ciò rendeva doppiamente sorprendente il fatto che cadessero così facilmente in forme chirali durante gli esperimenti quando evaporavano su una superficie, ha detto Jones.
"Questo è inaspettato", ha detto. "È molto raro vedere una struttura chirale forma quando i tuoi elementi costitutivi non sono chirali."
Jones ha affermato che i superreticoli 2D creati dai tetraedri potrebbero portare a progressi nei metamateriali che manipolano la luce e il suono in modi utili. "C'è tutta una serie di articoli che predicono che alcune delle proprietà più interessanti dei metamateriali ottici sorgono in strutture che hanno chiralità a questa scala di lunghezza", ha affermato.
Le superfici chirali create alla Rice sono assemblaggi ultrasottili di particelle che incorporano domini destri e mancini in numero uguale. Ciò è importante nel modo in cui elaborano la luce polarizzata circolarmente, uno strumento utile in spettroscopia e plasmonica.
Jones ha affermato che un modo per costruire strutture 2D precise è iniziare con un grande pezzo di materiale e lavorare dall'alto verso il basso, come uno scultore, rimuovendo i pezzi indesiderati per arrivare alla forma desiderata. L'autoassemblaggio è un approccio dal basso verso l'alto in cui una grande struttura, come un albero, cresce dall'unione di innumerevoli piccoli pezzi. L'assemblaggio dal basso è in genere il più rapido ed efficiente dei due approcci.
"La maggior parte delle volte le persone usano particelle sferiche nell'autoassemblaggio, ma non è possibile ottenere così tanta complessità in termini di struttura", ha detto Jones. "Il mio gruppo prende particelle non sferiche e cerca di farle assemblare in strutture più sofisticate."
Avendo scoperto un modo per creare nano-tetraedri d'oro ben formati, Jones e Cheng li misero in una soluzione e misero una gocciolina su un substrato. "Lasciamo semplicemente evaporare la gocciolina e ciò che otteniamo sono questi incredibili superreticoli", ha detto.
"Ci sono due cose che li rendono incredibili", ha detto. "Uno è che sono esclusivamente bidimensionali e il secondo, che è più interessante, è che sono chirali."
Jones e Cheng inizialmente pensavano che le particelle potessero crescere in tre dimensioni, "ma ora capiamo come formano una struttura 2D così complicata con uno spessore di due particelle", ha detto Jones.
Un'immagine in falsi colori da un microscopio elettronico a scansione mostra centinaia di tetraedri d'oro - nanoparticelle a forma di piramidi - che formano casualmente strutture "chirali" mentre si autoassemblano in un foglio bidimensionale piatto. Credito:Z. Cheng/Rice University
Cheng ha detto:"Inizialmente non ci aspettavamo che si assemblassero affatto. Volevo solo vedere che le particelle erano pure e di dimensioni uniformi. Quando ho visto le diverse disposizioni chirali è stata una totale sorpresa per me che si sono assemblate in tali una bella struttura!"
Jones ha affermato che le particelle sfruttano diversi fenomeni durante l'assemblaggio, comprese le forze di van der Waals, la repulsione elettrostatica tra le molecole sulle superfici del tetraedro e il substrato su cui è posizionata la goccia. "Nel tempo, quando la gocciolina evapora, le particelle passano da per lo più repulsive a fortemente attraenti, ed è così che si cristallizzano in superreticoli", ha detto.
I domini esagonali del materiale si formano quando i tetraedri si uniscono con le loro punte in alto o in basso. Quando le particelle si assemblano, i loro punti alla fine si incontrano, richiedendo loro di scivolare un po' l'una sull'altra per continuare ad avvicinarsi. Questo costringe tutte le particelle nell'esagono di assemblaggio a ruotare casualmente in un modo o nell'altro, formando domini chirali sinistrorsi e destrorsi.
Jones ha notato che esiste un fondamento matematico nel fenomeno che qualcuno potrebbe eventualmente scoprire.
"Solo di recente è stato matematicamente dimostrato l'imballaggio più denso di sfere, quindi potrebbe passare del tempo prima che possiamo aspettarci qualcosa di simile per i tetraedri", ha detto. "È molto, molto complicato."
Jones ha affermato di vedere la possibilità di un giorno "assemblare un materiale come questo sulla superficie di una piscina" in modo che i rivestimenti avanzati di metamateriali possano essere applicati praticamente a qualsiasi oggetto semplicemente immergendolo attraverso la superficie del liquido. + Esplora ulteriormente
