Gli scienziati progettano materiale cresciuto in 3D che potrebbe accelerare la produzione di nuove tecnologie per edifici intelligenti e robotica
La cristallizzazione è uno dei processi più fondamentali presenti in natura ed è ciò che conferisce a minerali, gemme, metalli e persino proteine la loro struttura.
Negli ultimi due decenni, gli scienziati hanno cercato di scoprire come i cristalli naturali si autoassemblano e crescono, e il loro lavoro pionieristico ha portato ad alcune nuove entusiasmanti tecnologie, dai punti quantici dietro i display colorati dei TV QLED, ai peptoidi, una proteina che imita che ha ispirato dozzine di scoperte biotecnologiche.
Ora, un team di ricerca guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia e dell’UC Berkeley ha sviluppato un composito di nanoparticelle che cresce in cristalli 3-D. Gli scienziati affermano che il nuovo materiale, che chiamano cristallo 3D PGNP (nanoparticelle con innesto di polimero) nel loro studio Nature Communications pubblicato di recente , potrebbe portare a nuove tecnologie sviluppate in 3D anziché stampate in 3D.
“Abbiamo dimostrato una nuova leva per trasformare, per così dire, per far crescere un materiale cristallino in un materiale composito o strutturato per applicazioni che vanno dalla fotonica su nanoscala per edifici intelligenti agli attuatori per la robotica”, ha affermato Ting Xu, autore senior dello studio. . Xu è uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di chimica e scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università di Berkeley.
Xu ha affermato che il loro nuovo metodo è compatibile con le esigenze della produzione di massa. “Molte menti intelligenti hanno progettato sostanze chimiche eleganti, come DNA e supramolecole, per cristallizzare le nanoparticelle. Il nostro sistema è essenzialmente una miscela di nanoparticelle e polimeri, che sono simili agli ingredienti che le persone usano per realizzare ali di aeroplani o paraurti di automobili. Ma cosa c’è di più interessante è che non ci aspettavamo che il nostro metodo fosse così semplice e così veloce”, ha detto Xu.
Una scoperta casuale
L’autore principale Yiwen Qian, un dottorato di ricerca. studente ricercatore nel gruppo Xu dell’Università di Berkeley, ha scoperto per caso i nanocristalli 3D PGNP in un normale esperimento di laboratorio.
Un paio di giorni prima, aveva lasciato una soluzione di solvente toluene e nanoparticelle d’oro innestate con polistirene (Au-PS) in una provetta da centrifuga su un bancone da laboratorio. Quando ha guardato il campione al microscopio elettronico a trasmissione (TEM), ha notato qualcosa di strano. “Le nanoparticelle si erano cristallizzate rapidamente. Non era una cosa normale da aspettarsi”, ha detto.
Per indagare, Xu ha collaborato con Peter Ercius, uno scienziato del personale presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, e Wolfgang Theis e Alessandra DaSilva dell’Università di Birmingham, tutti ampiamente apprezzati per la loro esperienza nella tomografia STEM (microscopia elettronica a trasmissione a scansione), un tecnica di microscopia elettronica che utilizza un fascio di elettroni altamente focalizzato per ricostruire immagini della struttura 3D di un materiale ad alta risoluzione.
Utilizzando microscopi presso la Molecular Foundry, una struttura di utenti leader a livello mondiale nella tomografia STEM, i ricercatori hanno prima catturato modelli 3D cristallini delle nanoparticelle Au-PS.
Alla ricerca di ulteriori indizi, Xu e Qian hanno quindi implementato esperimenti di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare presso l’Università di Berkeley, dove hanno scoperto che una minuscola traccia di molecole di poliolefina dal rivestimento del tubo della centrifuga era in qualche modo entrata nel mix. Le poliolefine, che includono polietilene e polipropilene, sono alcune delle materie plastiche più onnipresenti al mondo.
Utilizzando microscopi presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura di utenti leader a livello mondiale nella tomografia STEM, Ting Xu e il suo team di ricerca hanno catturato modelli 3D cristallini di nanoparticelle di polistirene d’oro. Credito: Berkeley Lab
Qian ha ripetuto l’esperimento, aggiungendo più poliolefina alla soluzione Au-PS e questa volta ha ottenuto cristalli PGNP 3D più grandi in pochi minuti.
Xu era sorpreso. “Ho pensato, ‘Questo non dovrebbe accadere così in fretta’”, ha ricordato. “I cristalli di nanoparticelle di solito impiegano giorni per crescere in laboratorio”.
Una manna per l’industria: materiali in crescita a livello nanometrico
Esperimenti successivi hanno rivelato che quando il solvente toluene evapora rapidamente a temperatura ambiente, l’additivo poliolefinico aiuta le nanoparticelle di Au-PS a formarsi in cristalli 3D PGNP e a “crescere nella loro struttura cristallina preferita”, ha affermato Qian.
In un altro esperimento chiave, i ricercatori hanno progettato un disco cristallino autoassemblante da 100-200 nanometri che assomiglia alla base di una piramide. Da questa straordinaria dimostrazione di padronanza della materia a livello nanometrico, i ricercatori hanno appreso che la dimensione e la forma dei cristalli 3D PGNP sono guidate dall’energia cinetica delle poliolefine mentre precipitano nella soluzione.
Complessivamente, questi risultati “forniscono un modello per mostrare come è possibile controllare la struttura cristallina a livello di singola particella”, ha detto Xu, aggiungendo che la loro scoperta è entusiasmante perché fornisce nuove informazioni su come si formano i cristalli durante le prime fasi della nucleazione.
“E questo è difficile da fare perché è difficile far sedere gli atomi uno accanto all’altro”, ha detto Ercius.
Il nuovo approccio potrebbe garantire ai ricercatori un controllo senza precedenti nella messa a punto di dispositivi elettronici e ottici a livello nanometrico (miliardesimi di metro), ha affermato Xu. Tale precisione su scala di nanoparticelle, ha aggiunto, potrebbe accelerare la produzione ed eliminare gli errori nella produzione.
Guardando al futuro, Qian vorrebbe usare la sua nuova tecnica per sondare la durezza di diverse strutture cristalline e forse anche creare un cristallo esagonale.
Xu prevede di utilizzare la loro tecnica per far crescere dispositivi più grandi come un transistor o forse nanoparticelle stampate in 3D da un mix di materiali.
“Cosa puoi fare con diverse morfologie? Abbiamo dimostrato che è possibile generare un composito monocomponente da un minerale e un polimero. È davvero emozionante. A volte devi solo essere nel posto giusto al momento giusto”, ha detto Xu.
I coautori del documento includono Alessandra da Silva e Wolfgang Theis dell’Università di Birmingham nel Regno Unito; Emmy Yu, ricercatrice studentessa universitaria nel Gruppo Xu dell’UC Berkeley; e Christopher L. Anderson e Yi Liu alla fonderia molecolare del Berkeley Lab.
