Questo giroide triplo doppio è una nuova struttura cristallina colloidale che non è mai stata trovata in natura o sintetizzata prima. Le sfere rosse/verdi/blu traslucide mostrano le posizioni degli equivalenti di atomi programmabili (PAE), mentre le sfere e i bastoncini grigio scuro mostrano le posizioni degli equivalenti di elettroni (EE). Credito:Sangmin Lee
La natura custodisce alcuni segreti. Sebbene in natura si trovino molte strutture con bassa simmetria, gli scienziati si sono limitati a progetti ad alta simmetria durante la sintesi di cristalli colloidali, un prezioso tipo di nanomateriale utilizzato per il rilevamento chimico e biologico e i dispositivi optoelettronici.
Ora, la ricerca della Northwestern University e dell'Università del Michigan ha tirato indietro il sipario, mostrando per la prima volta come si possono realizzare cristalli colloidali a bassa simmetria, inclusa una fase per la quale non è noto un equivalente naturale.
"Abbiamo scoperto qualcosa di fondamentale sul sistema per creare nuovi materiali", ha affermato Chad A. Mirkin della Northwestern. "Questa strategia per rompere la simmetria riscrive le regole per la progettazione e la sintesi dei materiali."
La ricerca è stata pubblicata oggi (13 gennaio) sulla rivista Nature Materials.
Mirkin è il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences; un professore di ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienze e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering; e professore di medicina presso la Feinberg School of Medicine. È anche il direttore fondatore dell'International Institute for Nanotechnology.
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.
Le nanoparticelle possono essere programmate e assemblate in array ordinati noti come cristalli colloidali, che possono essere progettati per applicazioni dai sensori di luce e laser alle comunicazioni e all'informatica.
"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.
In questa ricerca, per creare i cristalli sono state utilizzate nanoparticelle metalliche le cui superfici sono state rivestite con DNA di design. Il DNA ha agito come un materiale legante codificabile, trasformandoli in quelli che vengono chiamati equivalenti di atomi programmabili (PAE). Questo approccio offre un controllo eccezionale sulla forma e sui parametri dei reticoli cristallini, poiché le nanoparticelle possono essere "programmate" per organizzarsi in modi specifici, seguendo una serie di regole precedentemente sviluppate da Mirkin e dai suoi colleghi.
Tuttavia, a questo punto, gli scienziati non hanno avuto modo di preparare reticoli con determinate simmetrie cristalline. Poiché molti PAE sono isotropi, il che significa che le loro strutture sono uniformi in tutte le direzioni, tendono a organizzarsi in assiemi altamente simmetrici ed è difficile creare reticoli a bassa simmetria. Ciò ha limitato i tipi di strutture che possono essere sintetizzate, e quindi le proprietà ottiche che possono essere realizzate con esse.
La svolta è arrivata attraverso un nuovo approccio al controllo della valenza. In chimica, la valenza è correlata alla disposizione degli elettroni attorno a un atomo. Determina il numero di legami che l'atomo può formare e la geometria che assume. Basandosi su una recente scoperta che i piccoli PAE possono comportarsi come elettroni equivalenti, vagando e stabilizzando i reticoli di PAE più grandi, i ricercatori della Northwestern e del Michigan hanno alterato la valenza dei loro equivalenti elettronici regolando la densità dei filamenti di DNA innestati sulle loro superfici.
Successivamente, hanno utilizzato la microscopia elettronica avanzata per osservare come la modifica della valenza degli equivalenti elettronici ha influenzato la loro distribuzione spaziale tra i PAE e quindi i reticoli risultanti. Hanno anche esaminato gli effetti delle variazioni di temperatura e dell'alterazione del rapporto tra PAE e equivalenti di elettroni.
"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. Uno, una struttura a triplo doppio giroide, non ha un equivalente naturale noto.
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 affermato Mirkin. "Questo è un altro passo avanti nel portare nuovi materiali inesplorati dall'album da disegno e nelle applicazioni che possono trarre vantaggio dalle loro proprietà rare e insolite."
Glotzer è anche il John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering, lo Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering e un professore di scienze e ingegneria dei materiali, scienze e ingegneria macromolecolari e fisica presso l'Università del Michigan. Byeongdu Lee dell'Argonne National Laboratory è un autore corrispondente con Mirkin e Glotzer. + Esplora ulteriormente
