Le nanoparticelle sono minuscole – piccole quanto un nanometro, o un miliardesimo di metro – e sono di grande interesse per gli scienziati dei materiali per le loro proprietà fisiche e chimiche uniche. Non possono essere rilevati ad occhio nudo e richiedono un microscopio elettronico altamente specializzato per essere visti.
In effetti, i progressi nelle tecnologie di imaging negli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 sono ciò che ha reso possibile il campo della nanoscienza, afferma Anne Bentley, docente presso il Dipartimento di Chimica del Lewis &Clark College di Portland, Oregon.
"Penso che gran parte della chimica sia al di fuori del regno di ciò che le persone possono tenere tra le mani", dice. "Puoi ottenere prove di ciò che sta accadendo, ma stai ancora indagando su qualcosa che è su una scala troppo piccola perché i tuoi occhi possano vederla. Tutto ciò che puoi fare per ingrandirlo è utile."
Quindi Bentley ha fatto proprio questo, creando modelli 3D delle forme geometriche più semplici formate dalle nanoparticelle. Ha reso disponibili le istruzioni per creare questi modelli, sia con carta che con materiale di stampa 3D, come parte di un articolo di cui è coautrice, pubblicato sul Journal of Chemical Education , intitolato "Un manuale sui piani reticolari, sulle sfaccettature dei cristalli e sul controllo della forma delle nanoparticelle".
Le nanoparticelle sono disponibili in diverse forme geometriche e sono cristalline o composte da atomi disposti secondo uno schema che si ripete in tre dimensioni. Le forme mostrano superfici piatte, chiamate piani o sfaccettature, simili ai tagli in una pietra preziosa. La disposizione degli atomi su queste superfici cristalline influenza le proprietà speciali del materiale, afferma Bentley.
"Le forme derivano da questo imballaggio degli atomi", dice. "La motivazione per creare forme diverse dipende in realtà dalla disposizione degli atomi quando il materiale viene tagliato in modi diversi su diversi piani cristallini."
Nell'articolo, Bentley si concentra sulle forme a basso indice, che descrive come i tre modi più semplici per suddividere la struttura.
"Ci sono molti modi più complessi per tagliarlo, ma questi sono i tre modi fondamentali per farlo, realizzandoli con sei, otto o dodici lati:cubi, ottaedri o dodecaedri rombici. È stata una scelta naturale concentrarsi su quei tre per l'articolo."
"La nanoscienza è un argomento che si colloca tra la chimica e la fisica nel curriculum, ma anche tra la ricerca a livello universitario e quella universitaria", afferma Bentley.
"È importante che i chimici principianti dei materiali abbiano una conoscenza fondamentale dei piani cristallini, delle sfaccettature e delle direzioni di crescita. Devono anche comprendere il sistema di notazione a tre cifre utilizzato per indicizzare questi attributi, noto come indici Miller. Altrimenti, questo sistema può sembrano un misterioso miscuglio di numeri."
Ha ritenuto che fosse importante fornire una base di conoscenza in un formato accessibile che potesse aiutare gli educatori a introdurre questo campo importante e in crescita. Sebbene strutture più complesse rispetto ai modelli stampati in 3D possano essere create digitalmente tramite programmi di simulazione al computer, Bentley ritiene che ci siano vantaggi nel poter tenere i modelli tra le mani.
"Mi piacciono le cose che posso guardare e a cui pensare", afferma, aggiungendo che i modelli 3D sono particolarmente utili per comprendere questo argomento chiave della nanoscienza.
Coltivare particelle d'oro per convertire l'anidride carbonica
Nel laboratorio di Bentley, lei e gli studenti lavorano sulla manipolazione degli atomi d'oro in fiale di liquido per controllare la forma delle nanoparticelle.
"Devi semplicemente creare le giuste condizioni alle giuste temperature, un intero ambiente che favorisca la crescita di una forma particolare", afferma.
Bentley studia le nanoparticelle d'oro, notevoli per le loro proprietà catalitiche o la capacità di accelerare le reazioni chimiche. Il modo in cui il materiale viene tagliato espone diversi modelli di atomi, spiega. Precedenti ricerche hanno identificato che una particolare forma di nanoparticelle d'oro, il dodecaedro rombico a 12 facce, è più efficace per convertire l'anidride carbonica in materiali combustibili.
"È come riciclare", afferma Bentley. "Non solo questa forma di nanoparticelle consente ai ricercatori di rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera, ma consente loro di trasformarla nuovamente in una sorta di combustibile che può essere utilizzato. Quindi, se possiamo far crescere particelle che hanno solo questa sfaccettatura, è un vero vantaggio."
Ulteriori informazioni: Anne K. Bentley et al, A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control, Journal of Chemical Education (2023). DOI:10.1021/acs.jchemed.3c00371
Informazioni sul giornale: Giornale di educazione chimica
Fornito da Lewis &Clark College
