La linea di luce 12-ID presso l'APS, dove sono stati condotti studi sui raggi X per questa ricerca. Credito:Xiaobing Zuo, Laboratorio Nazionale Argonne
Un gruppo di ricerca guidato dalla Northwestern University e dall'Università del Michigan ha sviluppato un nuovo metodo per assemblare le particelle in cristalli colloidali, un prezioso tipo di materiale utilizzato per il rilevamento chimico e biologico e per i dispositivi di rilevamento della luce. Usando questo metodo, il team ha mostrato per la prima volta come questi cristalli possono essere progettati in modi che non si trovano in natura.
Il team ha utilizzato l'Advanced Photon Source (APS), una struttura utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory del DOE, per confermare la loro scoperta fondamentale.
"Un potente raggio di raggi X consente le misurazioni ad alta risoluzione necessarie per studiare questo tipo di assemblaggio. L'APS è una struttura ideale per condurre questa ricerca", ha osservato Byeongdu Lee dell'Argonne National Laboratory.
"Abbiamo scoperto qualcosa di fondamentale sul sistema per creare nuovi materiali", ha affermato Chad A. Mirkin, professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. "Questa strategia per rompere la simmetria riscrive le regole per la progettazione e la sintesi dei materiali."
La ricerca è stata diretta da Mirkin e Sharon C. Glotzer, presidente del dipartimento di ingegneria chimica di Anthony C. Lembke presso l'Università del Michigan, ed è stata pubblicata sulla rivista Nature Materials .
I cristalli colloidali sono particelle molto piccole con altre particelle più piccole (chiamate nanoparticelle) disposte al loro interno in modo ordinato o simmetrico. Possono essere progettati per applicazioni dai sensori di luce e laser alle comunicazioni e all'informatica. Per questa ricerca, gli scienziati hanno cercato di rompere la simmetria naturale della natura, che tende a ordinare minuscole particelle nel modo più simmetrico.
"Immagina di impilare palloni da basket in una scatola", ha detto Byeongdu Lee di Argonne, leader del gruppo presso l'APS e autore del giornale. "Avresti un modo specifico di farlo che otterrebbe il massimo valore dallo spazio. È così che fa la natura."
Tuttavia, dice Lee, se le palline sono sgonfie in una certa quantità, puoi impilarle in uno schema diverso. Il team di ricerca, ha affermato, sta cercando di fare lo stesso con i nanomateriali, insegnando loro ad autoassemblarsi in nuovi modelli.
Per questa ricerca, gli scienziati hanno utilizzato il DNA, la molecola all'interno delle cellule che trasporta le informazioni genetiche. Gli scienziati hanno imparato abbastanza sul DNA per poterlo programmare per seguire istruzioni specifiche. Questo team di ricerca ha utilizzato il DNA per insegnare alle nanoparticelle metalliche ad assemblarsi in nuove configurazioni. I ricercatori hanno attaccato molecole di DNA alle superfici di nanoparticelle di diverse dimensioni e hanno scoperto che le particelle più piccole si muovevano attorno a quelle più grandi negli spazi vuoti tra di loro, pur legando insieme le particelle in un nuovo materiale.
"L'uso di nanoparticelle grandi e piccole, in cui quelle più piccole si muovono come elettroni in un cristallo di atomi di metallo, è un approccio completamente nuovo alla costruzione di complesse strutture cristalline colloidali", ha affermato Glotzer.
Regolando questo DNA, gli scienziati hanno modificato i parametri delle piccole particelle elettroni equivalenti, modificando così i cristalli risultanti.
"Abbiamo esplorato strutture più complesse in cui il controllo sul numero di vicini attorno a ciascuna particella ha prodotto un'ulteriore rottura della simmetria", ha affermato Glotzer. "Le nostre simulazioni al computer hanno aiutato a decifrare i modelli complicati e a rivelare i meccanismi che hanno consentito alle nanoparticelle di crearli".
Questo approccio ha posto le basi per tre nuove fasi cristalline, mai sintetizzate prima, una delle quali non ha un equivalente naturale noto.
"Gli assemblaggi di particelle colloidali hanno sempre qualche analogia nel sistema atomico naturale", ha detto Lee. "Questa volta la struttura che abbiamo trovato è completamente nuova. Il modo in cui si assembla, non abbiamo visto metalli, leghe metalliche o altri materiali assemblarsi naturalmente in questo modo".
"Non conosciamo ancora le proprietà fisiche del materiale", ha detto Lee. "Ora lo consegniamo agli scienziati dei materiali per creare questo materiale e studiarlo."
Il team ha utilizzato i fasci di raggi X ultraluminosi dell'APS per confermare la nuova struttura dei loro cristalli. Hanno utilizzato gli strumenti di diffusione dei raggi X a piccolo angolo ad alta risoluzione alle linee di fascio 5-ID e 12-ID per creare immagini precise della disposizione delle particelle che avevano creato.
"Un potente raggio di raggi X consente le misurazioni ad alta risoluzione necessarie per studiare questo tipo di assemblaggio", ha affermato Lee. "L'APS è una struttura ideale per condurre questa ricerca".
L'APS sta attualmente subendo un massiccio aggiornamento, che secondo Lee consentirà agli scienziati di determinare strutture ancora più complesse in futuro. Anche gli strumenti a 12-ID vengono aggiornati per sfruttare appieno i raggi X più luminosi che saranno disponibili.
Questi cristalli colloidali a bassa simmetria hanno proprietà ottiche che non possono essere raggiunte con altre strutture cristalline e possono trovare impiego in un'ampia gamma di tecnologie. Anche le loro proprietà catalitiche sono diverse. Ma le nuove strutture qui svelate sono solo l'inizio delle possibilità ora che sono state comprese le condizioni per rompere la simmetria.
"Siamo nel mezzo di un'era senza precedenti di sintesi e scoperta di materiali", ha detto Mirkin. "Questo è un altro passo avanti nel portare nuovi materiali inesplorati dall'album da disegno e in applicazioni che possono trarre vantaggio dalle loro proprietà rare e insolite". + Esplora ulteriormente
