Un'illustrazione mostra la progressione di un seme d'oro in una nanoparticella di tetraedro cristallina e asimmetrica. Le immagini sono state acquisite alla Rice University attraverso una tecnica nota come microscopia elettronica a trasmissione a cellule liquide. Credito:Jones Research Group/Rice University
La natura ama chiaramente la simmetria. Guarda le tue stesse mani, per esempio. Ma a volte la natura produce cose asimmetriche, e le ragioni non sono sempre chiare.
Il chimico della Rice University Matthew Jones e il suo team hanno cercato risposte a tali domande sulle nanoparticelle utili e ora sembrano averne una.
Un nuovo studio condotto da Jones, dall'autore principale e ricercatore post-dottorato Muhua Sun e dagli studenti laureati Zhihua Cheng e Weiyin Chen dimostra come la rottura della simmetria durante la crescita delle particelle formi in modo affidabile nanocristalli di tetraedro d'oro a forma di piramide.
Nella rottura della simmetria, piccole fluttuazioni in un sistema in via di sviluppo determinano il destino del sistema. In questo caso, si applica alla crescita di cristalli da semi su scala nanometrica che iniziano con un reticolo atomico simmetrico.
I ricercatori della Rice hanno mostrato come il bilanciamento delle forze termodinamiche e cinetiche durante il processo di cristallizzazione può essere utilizzato per inclinare la crescita delle particelle nella direzione desiderata. La loro scoperta apre anche la strada all'utilizzo di nanoparticelle asimmetriche come elementi costitutivi per metamateriali unici.
Lo studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano nasce dal lavoro sostenuto dalla Packard Fellowship di Jones, concessa nel 2018 per aiutarlo a proseguire la ricerca sulla microscopia elettronica a trasmissione a cellule liquide (TEM).
La tecnica sviluppata da Jones e dal suo laboratorio consente ai ricercatori di osservare la formazione di singole nanoparticelle metalliche in un liquido attraverso una finestra abbastanza grande da consentire il passaggio degli elettroni. Nell'uso generale, i microscopi elettronici a trasmissione funzionano in alto vuoto e fanno semplicemente evaporare i liquidi esposti.
I ricercatori hanno notato che le nanoparticelle a forma di tetraedro si trovano spesso come sottoprodotti di altri processi, ma realizzarle di proposito in laboratorio si è rivelata una sfida.
"Se una particella è un singolo cristallo, di solito eredita la simmetria del reticolo", ha detto Jones. "E i cristalli tendono ad essere altamente simmetrici, come cubi o dodecaedri rombici o ottaedri. Ma poi ci sono questi strani valori anomali che alcune persone vedono che misteriosamente hanno una simmetria inferiore rispetto al reticolo genitore."
Il nuovo studio è il primo del laboratorio di Jones a mostrare come funziona la tecnica delle cellule liquide. La capacità di far fluire il fluido contenente ligandi e precursori attraverso la cellula mentre osservano ha permesso loro di puntare sul punto in cui la crescita va fuori strada e reindirizza la simmetria del prodotto finale delle nanoparticelle.
La chiave sembrava essere la velocità di crescita e le condizioni in cui gli atomi d'oro tendevano ad attaccarsi alle particelle alle punte e ai bordi piuttosto che alle facce termodinamicamente favorite.
"Ora che siamo in grado di schermare una serie di condizioni, siamo stati in grado di vedere uno spettro con crescita cinetica da un lato ed equilibrio dall'altro", ha detto Jones. "La crescita cinetica è rapida e le sporgenze crescono molto rapidamente e non è molto ben controllata. In equilibrio, la crescita è lenta e il sistema fa ciò che vuole, ovvero mantenere la simmetria.
"Ma la TEM a celle liquide ci ha permesso di cambiare una variabile al volo e vedere il comportamento nel mezzo, dove potevamo vedere questa strana simmetria che si rompeva e una particella tetraedrica ben definita emergere. Quindi abbiamo concluso che questo doveva essere un equilibrio tra equilibrio e fattori cinetici."
Jones ha affermato che comprendendo che l'equilibrio fondamentale "dovrebbe essere generalizzabile a una varietà di altre condizioni".
Ha affermato che la scoperta stabilisce anche la TEM a cellule liquide come uno strumento prezioso per l'osservazione e l'analisi dei processi chimici dinamici, eliminando potenzialmente molti tentativi ed errori nella sintesi di particelle per la biomedicina, la catalisi o la nanofotonica.
"Non c'è niente come essere in grado di guardare l'intera cosa accadere", ha detto. "Questo è ciò che fa questa tecnica. Non stai fotografando fotoni su qualcosa e poi devi fare un sacco di analisi per interpretare i risultati. Devi solo guardare il processo. Vedere per credere". + Esplora ulteriormente
