Sintesi e caratterizzazione strutturale di mesocristalli binari tridimensionali di blocchi di platino e magnetite. Credito:Christian Jenewein
I mesocristalli sono una classe di solidi formati dalla disposizione regolare dei nanocristalli, che sono minuscole nanoparticelle che hanno proprietà uniche a causa delle loro piccole dimensioni. Nei mesocristalli, questi assumono una forma sovraordinata altamente organizzata in una griglia densamente compatta. Un gruppo di ricerca tedesco-svizzero guidato dal professor Helmut Cölfen, un chimico di Costanza, è ora riuscito a sintetizzare mesocristalli particolarmente complessi con proprietà chimiche e fisiche in gran parte sconosciute e a far luce sulla loro struttura.
Cosa c'è di così speciale? Due diversi nanocristalli, cubi di platino e magnetite, sono gli elementi costitutivi di base dei nuovi solidi che si autoassemblano in una sovrastruttura tridimensionale. Finora, i mesocristalli di due diversi blocchi costitutivi di base, chiamati mesocristalli binari, potevano essere prodotti solo come strutture bidimensionali.
Il percorso sintetico e la caratterizzazione strutturale dei mesocristalli binari 3D di platino e nanocristalli di magnetite sono stati appena descritti nella rivista Angewandte Chemie International Edition . I risultati dello studio sono il primo passo verso un potenziale "sistema di insiemi edilizi" che potrebbe consentire in futuro di combinare le proprietà di diversi nanocristalli in modo mirato e trasferirle nel micromondo più gestibile, ottenendo una moltitudine di possibili vantaggi e applicazioni.
La nanotecnologia nell'antica Roma
Gli elementi costitutivi di base dei mesocristalli sono i nanocristalli. A causa delle loro piccole dimensioni, che possono essere anche inferiori a quelle dei virus, mostrano proprietà uniche che mancano alle particelle più grandi dello stesso materiale. Ciò include l'"effetto di dimensione quantistica" dal suono complicato, che può essere osservato in nanoparticelle di semiconduttori con un diametro nell'intervallo nanometrico, risultando in un colore dipendente dalle dimensioni, che svolge un ruolo importante nella produzione di LED, tra le altre cose. Un altro esempio è l'effetto di risonanza plasmonica di superficie, che conferisce alle nanoparticelle metalliche proprietà ottiche dipendenti dalla dimensione.
L'umanità ha fatto uso di alcune di queste nano-proprietà già ai tempi dell'Impero Romano. Un famoso esempio è la Coppa di Licurgo del IV secolo, ora esposta al British Museum, i cui elementi in vetro cambiano colore a seconda dell'incidenza della luce e dell'angolo di visione. Il motivo:il vetro della tazza è impregnato di nanoparticelle d'oro e d'argento che dimostrano l'effetto di risonanza plasmonica superficiale. Anche i colori forti e durevoli delle finestre delle chiese medievali si basano su questo effetto, poiché sono presenti nanoparticelle d'oro colate nel vetro delle finestre.
I mesocristalli sono formati dall'auto-organizzazione di nanocristalli, in questo caso nanocubi di platino e magnetite, in strutture superordinate e altamente organizzate. Credito:Christian Jenewein
Il meglio da due mondi
"Creando mesocristalli dai nanocristalli, ora potrebbe essere possibile trasferire queste e altre proprietà, che prima erano riservate ai solidi più piccoli, a solidi con dimensioni nell'ordine dei micrometri", spiega Helmut Cölfen, professore di chimica fisica all'Università di Costanza e capo del progetto di ricerca. "Questo rende i mesocristalli oggetti estremamente interessanti nella ricerca sui materiali."
La scala micrometrica include oggetti fino a 100.000 volte più grandi delle nanoparticelle, che è ancora molto piccola, ma fa un'enorme differenza nella gestibilità delle particelle. Ad esempio, le particelle con dimensioni nell'intervallo dei micrometri possono essere filtrate molto meglio delle nanoparticelle. Nel caso di solidi come i mesocristalli, questo elimina anche uno svantaggio decisivo delle nanoparticelle:la loro potenziale tossicità. In passato, le nanoparticelle sono diventate sempre più al centro della ricerca sanitaria, poiché possono facilmente entrare nel corpo attraverso la pelle, il cibo o il respiro quando non sono legate. "A causa delle loro piccole dimensioni, le nanoparticelle possono superare importanti barriere protettive del corpo umano. I mesocristalli significativamente più grandi, al contrario, non possono", afferma Helmut Cölfen.
Raggiungere l'obiettivo con pazienza
Come descritto nel presente studio, al fine di produrre i mesocristalli binari 3D finora unici dai nanocristalli di platino e magnetite descritti nel presente studio, questi blocchi costitutivi di base a forma di cubo vengono prima inseriti in un solvente e viene creata una dispersione. Il rapporto di miscelazione gioca qui un ruolo decisivo e si riflette in seguito nella composizione del mesocristallo. "Se dovessimo prendere una goccia della miscela di blocchi costitutivi e lasciare semplicemente evaporare il solvente, otterremmo anche un mesocristallo binario, ma sarebbe bidimensionale anziché tridimensionale. Quindi dovevamo inventare qualcosa di nuovo per creare mesocristalli tridimensionali", riferisce Helmut Cölfen.
La chiave del successo:la decelerazione. A tale scopo, la dispersione con i nanocristalli viene inserita in un ulteriore contenitore chiuso contenente una sostanza chimica in cui i nanocristalli non possono dissolversi, un "non solvente", per così dire. Dopo di che, devi solo aspettare e vedere. Lentamente, nel corso di diversi giorni, il non solvente evapora gradualmente e si mescola sempre più con la dispersione di nanocristalli. "Ad un certo punto, i nanocristalli iniziano a interagire agganciandosi l'uno all'altro a causa dell'aumento del non solvente nella dispersione. Normalmente, qualcosa del genere accade rapidamente e in modo incontrollabile. Estendendo il processo tramite l'evaporazione del non solvente su diversi giorni e riducendo così l'effetto del solvente effettivo solo gradualmente anziché improvvisamente, il processo è molto più controllato. Il risultato del nostro metodo sono "grandi mesocristalli tridimensionali", spiega Helmut Cölfen.
Immagine al microscopio elettronico a scansione ad emissione di campo dei mesocristalli binari tridimensionali. Credito:Christian Jenewein
Emergono proprietà nuove e inesplorate
Dopo che i chimici di Costanza guidati da Helmut Cölfen hanno sintetizzato con successo i mesocristalli tridimensionali, hanno caratterizzato la loro esatta struttura in collaborazione con i colleghi svizzeri del Center for X-ray Analysis at the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) a St. Gallen e l'Istituto Paul Scherrer (PSI) di Villingen. Sono stati in grado di dimostrare che durante la sintesi si formano veri e propri mesocristalli binari tridimensionali di platino e nanocristalli di magnetite. Finora, i ricercatori possono solo speculare sulle proprietà fisiche e chimiche complete di questi nuovi solidi.
La combinazione delle due proprietà risulterebbe quindi in un ottimo catalizzatore chimico grazie alla componente di platino, che a sua volta potrebbe essere facilmente separata e recuperata con un magnete dopo l'uso a causa della componente di magnetite. Il prezioso materiale platino non andrebbe perso. Tuttavia, i mesocristalli non solo preservano le proprietà dei nanocristalli che contengono, ma possiedono anche proprietà che vanno oltre quelle dei loro singoli elementi costitutivi. "Quando i singoli nanocristalli interagiscono e si accoppiano nella struttura sovraordinata del mesocristallo, si creano proprietà collettive completamente nuove che le singole particelle stesse non hanno affatto", spiega con entusiasmo Helmut Cölfen e continua:"Esplorarle in dettaglio in futuro sarà estremamente eccitante."
Lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) presso il Paul Scherrer Institute (PSI) di Villingen è stato utilizzato, tra gli altri metodi, per caratterizzare l'esatta struttura dei mescristalli binari tridimensionali. Credito:Christian Jenewein
Il primo passo verso un potenziale sistema di kit di costruzione
La produzione di mesocristalli tridimensionali da nanocubi di platino e magnetite non sarà la fine della storia. Al contrario, l'obiettivo è combinare anche altri nanocristalli in futuro utilizzando il processo sviluppato. Secondo i ricercatori, i loro risultati sono piuttosto il primo passo verso un potenziale sistema di kit di costruzione:"Il nostro obiettivo è perfezionare il metodo in modo che, idealmente, un'ampia varietà di nanocristalli e le loro proprietà possano essere combinati in qualsiasi modo desideriamo:di come i mattoncini LEGO", Helmut Cölfen dà uno sguardo e continua con un sorriso:"Il mesocrystal di magnetite di platino sarebbe quindi la prima piccola torre, per così dire, che costruiamo con le nostre pietre."
"La produzione di strutture come i nostri mesocristalli binari tridimensionali era precisamente uno degli obiettivi di questo Centro di ricerca collaborativa. Quello che dobbiamo fare ora è caratterizzare le interazioni tra i nano elementi costitutivi e studiare le nuove proprietà risultanti", conclude Helmut Colfen. + Esplora ulteriormente
