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La natura può detestare il vuoto, ma di certo ama la struttura. Insiemi complessi e auto-organizzati si trovano in tutto il mondo naturale, dalle molecole di DNA a doppia elica ai cristalli fotonici che rendono le ali delle farfalle così colorate e iridescenti.
Un progetto guidato da Cornell ha creato nanocluster sintetici che possono imitare questo autoassemblaggio gerarchico dalla scala nanometrica alla scala centimetrica, coprendo sette ordini di grandezza. I film sottili sintetici risultanti hanno il potenziale per fungere da sistema modello per esplorare i sistemi gerarchici biomimetici e le future funzioni avanzate.
Il documento del gruppo, "Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase", pubblicato il 14 aprile su Nature Materials .
In precedenza, il più grande ostacolo alla creazione di questo tipo di nanomateriale sintetico era la mancanza di elementi costitutivi su nanoscala con la versatilità necessaria per interagire su molte scale di lunghezza, consentendo loro di organizzarsi in strutture complesse, come si trova nelle biomolecole.
Quindi un team guidato dai co-senior autori Richard Robinson, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso il College of Engineering, e Tobias Hanrath, professore presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, si è rivolto al solfuro di cadmio, un prodotto collaudato vero materiale per la ricerca sulle nanoparticelle.
A differenza dei precedenti sforzi per sintetizzare il composto, il gruppo ha eseguito una versione di sintesi ad alta concentrazione che utilizzava pochissimo solvente. Il processo ha prodotto "cluster di dimensioni magiche" di 57 atomi, lunghi circa 1,5 nanometri. Ognuna di queste nanoparticelle aveva un guscio di ligandi - speciali molecole di legame - che potevano interagire tra loro in modo tale da formare filamenti lunghi diversi micron e larghi centinaia di nanometri. I filamenti sono stati "periodicamente decorati con questi ammassi di dimensioni magiche, come una superstrada di automobili, con una perfetta spaziatura tra di loro", secondo Robinson.
"Se guardi in basso nella parte anteriore del filamento, in basso al centro, è organizzato radialmente e strutturato in modo esagonale", ha detto. "E poiché questi filamenti strutturati hanno intrecci attraenti, si scopre che quando vengono asciugati nelle giuste condizioni, si autoassemblano con un ordine a lungo raggio."
Sorprendentemente, controllando attentamente la geometria evaporativa, i filamenti si sono attorcigliati in cavi più grandi che sono lunghi centinaia di micron, e i cavi sono quindi raggruppati insieme e allineati in bande altamente ordinate, risultando infine in una pellicola sottile che è modellata su scale centimetriche.
"Di solito non è possibile sintetizzare qualcosa che ha un'organizzazione gerarchica dal nanometro fino a sette ordini di grandezza più grandi. Penso che sia davvero la salsa speciale", ha detto Robinson. "Gli assemblaggi imitano molti prodotti naturali interessanti - mineralizzazione naturale, fotonica naturale - cose che si verificano in natura che non siamo stati in grado di riprodurre con successo in laboratorio".
La miscela di interazioni organiche e inorganiche conferisce ai cluster di dimensioni magiche la capacità di creare film con un perfetto pattern periodico. Il fatto che il film sottile possa mostrare l'intero spettro di un arcobaleno, come hanno dimostrato i ricercatori, è la prova della sua struttura impeccabile.
"È probabile che le persone non l'abbiano mai visto prima perché la maggior parte delle sintesi è stata eseguita a basse concentrazioni, quindi hai molto solvente. Non hanno le stesse interazioni ligando-ligando", ha detto. "L'abbiamo cambiato. Abbiamo spostato la scala di un clic della cifra decimale e abbiamo creato questa sintesi senza solventi."
Tra gli aspetti più intriganti del film di nanomateriali c'è che mostra proprietà ottiche chirali - l'assorbimento non simmetrico della luce polarizzata - che sono probabilmente manifeste a livello di nanoparticelle e questa caratteristica è amplificata fino alla scala macroscopica. I film sottili condividono anche alcune sorprendenti somiglianze con i cristalli liquidi.
Per comprendere meglio il comportamento dell'autorganizzazione, Robinson e Hanrath hanno consultato un gruppo di collaboratori.
Lena Kourkoutis, professore associato di fisica applicata e ingegneria, ha gestito la microscopia elettronica che ha permesso al team di vedere dove si trovavano le nanoparticelle all'interno dei filamenti. Julia Dshemuchadse, assistente professore di scienze dei materiali e ingegneria, ha teorizzato le regole che regolano l'assemblaggio e la stabilità dei filamenti. I ricercatori dell'Università di Toronto e del Rochester Institute of Technology hanno stimato le interazioni tra i dipoli elettrici che orientano i cluster e hanno sviluppato un modello teorico che ha mostrato perché il metodo di evaporazione ha fatto sì che i nanocluster formassero rispettivamente un film così perfettamente periodico.
La scoperta delle straordinarie strutture multiscala apre nuove strade per lo sviluppo di tecnologie che sfruttano le loro proprietà chirottiche emergenti.
"Le esclusive interazioni luce-materia di questi metamateriali chirottici possono essere utilizzate per una gamma di potenziali applicazioni, dal rilevamento, alla catalisi e ai rilevatori di luce polarizzata circolare a prospettive più avanzate nella spintronica, nell'informatica quantistica e nell'olografia", ha affermato Hanrath. + Esplora ulteriormente
