La rivoluzione dei quasicristalli: una nuova frontiera nella nanotecnologia
Il mondo della nanotecnologia ha assistito a una svolta significativa grazie al lavoro congiunto di ricercatori provenienti da diverse università e centri di ricerca. Il team, composto da esperti della Northwestern University, dell’Università del Michigan e del Centro per la Ricerca Cooperativa in Biomateriali di San Sebastian, in Spagna, ha realizzato un quasicristallo utilizzando nanoparticelle e DNA, la molecola portatrice della vita. Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Nature Materials, apre la strada alla progettazione e costruzione di strutture più complesse e promettenti dal punto di vista tecnologico.
La natura unica dei quasicristalli
A differenza dei cristalli ordinari, che si caratterizzano per una struttura ripetitiva, i quasicristalli presentano schemi non ripetitivi. Costruiti a partire da atomi, possono vantare proprietà eccezionali, come l’assorbimento di calore e luce in modo diverso, proprietà elettroniche insolite, come la conduzione dell’elettricità senza resistenza, o superfici estremamente dure o scivolose.
Gli ingegneri che studiano l’assemblaggio a nanoscala spesso considerano le nanoparticelle come una sorta di “atomo designer”, che offre un nuovo livello di controllo sui materiali sintetici. Una delle sfide è indirizzare le particelle ad assemblarsi in strutture desiderate con qualità utili, e nella costruzione di questo primo quasicristallo assemblato con DNA, il team ha varcato una nuova frontiera nel design dei nanomateriali.
L’assemblaggio pionieristico del DNA nei nanomateriali
“L’esistenza dei quasicristalli è stata un enigma per decenni, e la loro scoperta è stata giustamente premiata con un Premio Nobel”, ha dichiarato Chad Mirkin, professore di chimica alla Northwestern University e co-autore corrispondente dello studio. “Sebbene ora ci siano diversi esempi noti, scoperti in natura o attraverso percorsi fortuiti, la nostra ricerca svela il loro processo di formazione e, cosa più importante, mostra come possiamo sfruttare la natura programmabile del DNA per progettare e assemblare deliberatamente i quasicristalli.”
Un strumento matematico chiamato trasformata di Fourier veloce mappa la struttura in modo da rivelare la simmetria a 12 lati del quasicristallo. La trasformata di Fourier veloce dell’immagine al microscopio elettronico del quasicristallo è mostrata a sinistra, mentre la trasformata del cristallo simulato è mostrata a destra.
DNA: lo strumento di design per le nanoparticelle
Il gruppo di Mirkin è noto per l’uso del DNA come colla designer per ingegnerizzare la formazione di cristalli colloidali composti da nanoparticelle, e il gruppo di Luis Liz-Marzán, professore Ikerbasque presso il Centro Spagnolo per la Ricerca Cooperativa in Biomateriali, è stato in grado di produrre nanoparticelle che potrebbero formare quasicristalli nelle condizioni giuste.
Il team si è concentrato su forme bipiramidali, ovvero due piramidi attaccate insieme alla base. Il gruppo di Liz-Marzán ha sperimentato diversi numeri di lati, nonché schiacciando e allungando le forme. Wenjie Zhou e Haixin Lin, dottorandi in chimica alla Northwestern al momento dello studio, hanno utilizzato filamenti di DNA codificati per riconoscersi a vicenda per programmare le particelle ad assemblarsi in un quasicristallo.
Indipendentemente, il gruppo di Sharon Glotzer, professore di ingegneria chimica all’Università del Michigan, aveva simulato bipiramidi con diversi numeri di lati. Yein Lim e Sangmin Lee, dottorandi in ingegneria chimica all’Università del Michigan, hanno scoperto che i decaedri, bipiramidi pentagonali a 10 lati, avrebbero formato un quasicristallo sotto certe condizioni e con le giuste dimensioni relative.
Nel 2009, il team di Glotzer aveva previsto il primo quasicristallo nanoparticellare stratificato, non da bipiramidi ma da tetraedri, piramidi singole con quattro lati triangolari come un dado D4. Poiché cinque tetraedri possono quasi formare un tipo di decaedro, Glotzer afferma che il decaedro è stata una scelta astuta per realizzare un quasicristallo.
“Nella nostra simulazione originale del quasicristallo, i tetraedri si organizzavano in decaedri con piccolissimi spazi tra i tetraedri. Qui, quegli spazi sarebbero stati riempiti dal DNA, quindi aveva senso che anche i decaedri potessero formare quasicristalli”, ha detto Glotzer, co-autore corrispondente dello studio.
Sinergia teorica e sperimentale
Attraverso una combinazione di teoria ed esperimento, i tre gruppi di ricerca hanno trasformato le particelle decaedro in un quasicristallo, confermato da immagini al microscopio elettronico alla Northwestern e da scattering a raggi X effettuato presso il Laboratorio Nazionale di Argonne.
“Attraverso l’ingegnerizzazione di successo dei quasicristalli colloidali, abbiamo raggiunto una pietra miliare significativa nel regno della nanoscienza”, ha affermato Liz-Marzán, co-autore corrispondente dello studio. ”Il nostro lavoro non solo fa luce sulla progettazione e creazione di strutture nanometriche intricate, ma apre anche un mondo di possibilità per materiali avanzati e applicazioni nanotecnologiche innovative.”
La struttura ricorda un array di rosette in cerchi concentrici, le forme a 10 lati creano una simmetria a 12 lati in strati 2D che si impilano periodicamente. Questa struttura stratificata, vista anche con quasicristalli realizzati da tetraedri, è chiamata quasicristallo assiale. Tuttavia, a differenza della maggior parte dei quasicristalli assiali, il modello di piastrellatura degli strati del nuovo quasicristallo non si ripete identicamente da uno strato all’altro. Invece, una percentuale significativa di piastrelle è diversa, in modo casuale, e questa piccola quantità di disordine aggiunge stabilità.
La ricerca è finanziata dall’Ufficio della Ricerca Scientifica dell’Aeronautica Militare degli Stati Uniti e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dal Ministero della Scienza e dell’Innovazione spagnolo e dal Programma Maria de Maeztu Units of Excellence dell’Agenzia di Ricerca Statale spagnola. Il progetto si è avvalso anche delle risorse dell’Ambiente di Scoperta Scientifica e Ingegneristica Estrema, NUANCE presso la Northwestern University e delle risorse computazionali all’Università del Michigan.
