Un timelapse con immagini al microscopio ottico della crescita di un nanocomposito triangolare BaCO3-silice. Utilizzando un modello di luce UV triangolare statico (nella foto a sinistra), i ricercatori hanno controllato il contorno del nanocomposito a forma di triangolo. Poiché gli elementi costitutivi sono generati dalla luce, la crescita del nanocomposito segue lo schema della luce. La foto a destra è stata scattata con un microscopio elettronico. Credito:Bistervels et al., AMOLF
dottorato di ricerca la studentessa Marloes Bistervels del gruppo di ricerca Self-Organizing Matter dell'AMOLF è riuscita a usare la luce per controllare in modo molto preciso la formazione di nanocompositi a forma di coralli e vasi. Illuminando una soluzione degli ingredienti giusti con la luce UV, può controllare dove, quando e quali strutture sorgono su scala micrometrica. Oggi ha pubblicato le sue scoperte sulla rivista scientifica Advanced Materials .
Per diversi anni, il gruppo ha prodotto bellissime strutture cristalline su scala nanometrica che vanno dai coralli e vasi alle eliche. Queste strutture si formano spontaneamente da varie sostanze chimiche in un processo chiamato autoassemblaggio. La loro forma dipende dalla quantità e dal tipo di sostanze miscelate tra loro. La ricerca è finalizzata alla comprensione e al controllo del processo.
C'è stato un certo successo in questo senso. Ad esempio, i ricercatori possono scegliere se vogliono produrre un corallo o un vaso, ma non dove o quando inizia la crescita. "Il processo contiene ancora una forma di caos. Rimane un processo spontaneo su cui vorremmo ottenere un maggiore controllo", afferma il leader del gruppo Wim Noorduin. Bistervels ha ora dimostrato che la luce è altamente adatta per raggiungere questo obiettivo. Con uno stretto raggio di luce UV, può influenzare in modo molto preciso e selettivo una reazione chimica su scala micrometrica.
Interruttore per reazione chimica
Le strutture fluorescenti prodotte dai ricercatori sono il risultato di una semplice reazione chimica. Sono composti di due sostanze:carbonato di bario e silicio. Non appena nella soluzione si formano cristalli di carbonato di bario, il silicio si unisce e precipita insieme ai cristalli, dando origine a forme insolite. Un pochino di CO2 il gas nella soluzione avvia questo processo. Se si potesse garantire che CO2 si verifica nel luogo e nell'ora esatti desiderati, ciò comporterebbe un interruttore on-off per la reazione chimica.
Ora abbiamo quell'interruttore. Illuminando la soluzione con una lampada UV (simile a quella di un lettino solare), una delle sostanze chimiche nella soluzione si decompone e forma CO2 nel punto esatto in cui risplende la luce.
Una micrografia ottica di un nanocomposito BaCO3-silice lungo diversi millimetri. Il nanocomposito viene coltivato utilizzando un pattern dinamico di luce UV. Spostando il pattern di luce UV alla velocità corretta davanti al fronte di crescita, dove vengono generati i mattoni, i ricercatori possono controllare la direzione di crescita dei nanocristalli. Ci sono volute 47 ore per far crescere questa linea di nanocristalli lunga pochi millimetri. Credito:Bistervels et al., AMOLF
Microscopio unico
Bistervels ha subito capito che la sua idea funzionava, ma che il microscopio standard che voleva utilizzare per rendere visibili le strutture fluorescenti non funzionava bene in combinazione con la lampada UV. Ha quindi costruito un microscopio speciale insieme ai tecnici Marko Kamp e Hinco Schoenmaker. Con questo microscopio è possibile controllare la luce UV in modo molto accurato, anche a distanza da casa. Si possono vedere immediatamente i cristalli formati attraverso il microscopio e, se necessario, regolare il processo di autoassemblaggio. Fred Brouwer, professore di fotochimica all'Università di Amsterdam, ha aiutato i ricercatori con la sua conoscenza della luce e delle reazioni chimiche. "Grazie a queste collaborazioni uniche, siamo stati in grado di unire i punti di forza di chimici e fisici. Ho imparato molto da questo", afferma Bistervels.
Bistervels ha dimostrato che con questo approccio si può esercitare un notevole controllo sulle strutture che si formano. Ha costruito un'elica e un corallo vicini l'uno all'altro, semplicemente spostando leggermente il raggio di luce e apportando un piccolo aggiustamento alla reazione chimica. Inoltre, ha dimostrato che un numero molto elevato di cristalli può essere prodotto uno accanto all'altro in uno schema. "Questi esperimenti non sono banali", dice. "Servono condizioni diverse e un controllo sfaccettato sul tempo e sulla posizione."
L'esperimento più singolare è stato quello di tracciare una linea, affermano i ricercatori. Anche se potrebbe sembrare niente di spettacolare, Bistervels afferma:"Questo dimostra quanto controllo abbiamo. Domare la direzione in cui crescono i cristalli è un risultato straordinario. Controlli un processo su scala nanometrica e vedi il risultato ad occhio nudo. "
Controllo della biomineralizzazione
Le strutture sono più di uno spettacolo da vedere. Imparando come possono usare la luce per controllare lo sviluppo delle strutture, i ricercatori hanno acquisito importanti conoscenze sull'autoassemblaggio. "Possiamo applicare i metodi per manipolare le reazioni chimiche locali a sistemi autoassemblanti simili. Inoltre, vediamo la possibilità di utilizzare questi nuovi metodi per ottenere una migliore comprensione della biomineralizzazione in natura, come la formazione dell'osso", afferma Noorduin.
In un altro progetto, il gruppo Self-Organizing Matter è riuscito a convertire i cristalli in semiconduttori. Questi sono materiali vitali per celle solari, LED e chip per computer. Noorduin spiega:"Se potessimo produrre semiconduttori di qualsiasi forma desiderata senza la necessità di una camera bianca costosa e complessa, ciò offrirebbe possibilità interessanti. Un esempio è la produzione di componenti elettronici mediante l'autoassemblaggio. Pertanto, attualmente stiamo studiando come possiamo controllare le strutture tridimensionali, in modo da poter successivamente produrre modelli". + Esplora ulteriormente
