Giocare d'astuzia con l'auto-organizzazione

Se si rifà il rivestimento del bagno o della terrazza con piastrelle quadrate, rettangolari o esagonali, ad esempio, il risultato sarà un disegno semplice e regolare se si fa tutto bene. In modo simile, gli scienziati possono usare minuscole perle di materiali diversi per produrre semplici strutture regolari con utili proprietà ottiche o meccaniche. Queste strutture regolari risultano automaticamente dall'interazione delle forze che agiscono tra le perline e da influenze esterne, come la pressione.

Da tempo i ricercatori cercano di realizzare versioni più complesse di queste strutture, note anche come cristalli colloidali. Finora, tuttavia, ciò si è rivelato difficile. All'ETH di Zurigo, Lucio Isa, professore presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali, e il suo team sono ora riusciti a utilizzare un trucco per costringere semplici microsfere a unirsi per formare complessi cristalli colloidali. I risultati del loro lavoro sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica "Nature".

1 più 1 non è uguale a 2

"In parole povere, abbiamo dimostrato che 1 più 1 non è necessariamente uguale a 2", spiega Isa. Non si tratta di un'inosservanza dell'aritmetica elementare, ma di una tecnica utilizzata dai ricercatori per far sì che le perle di gel polimerico morbido, grandi solo un micrometro, formino schemi più complicati di quelli che farebbero volontariamente.

In laboratorio hanno iniziato con un esperimento standard. Hanno confinato le particelle di polimero sulla superficie di un bagno d'acqua su cui galleggiava uno strato di olio (esano). Con l'aiuto di barriere mobili, è possibile ridurre le dimensioni della superficie dell'acqua e comprimere sempre più le perle, facendole disporre in strutture simili a cristalli. Man mano che si formano, queste strutture vengono depositate su un substrato di silicio che viene tirato attraverso la superficie dell'acqua. In questo modo vengono raccolte come con un raschietto. Infine, i ricercatori rimuovono il disco dal bagno d'acqua (vedi immagine).

Due programmi

"Se si ripete questo processo con un pezzo di silicio fresco, si otterranno sempre strutture esagonali, anche se si espongono le perle a pressioni sempre più elevate e quindi le si comprime maggiormente", spiega Isa. Tuttavia, se invece di usare un substrato di silicio fresco, se ne usa uno già utilizzato e sul quale è già presente una struttura cristallina esagonale di microsfere, le nuove sfere devono orientarsi a due condizioni al contorno durante la seconda deposizione: Da un lato, si respingono l'una con l'altra mentre vengono stipate lateralmente dalle barriere; dall'altro, però, si scontrano anche con le sfere del primo passaggio, che sono rigidamente disposte sul substrato di silicio. L'interazione di queste due influenze spinge le sfere del secondo strato a formare modelli che possono essere completamente diversi dal primo - e anche molto più complessi.

Modelli complessi attraverso la frustrazione

Se si osservano da vicino i due strati insieme al microscopio ad alta risoluzione, si può riconoscere un'ampia varietà di disposizioni a seconda della densità di impacchettamento delle microsfere: schemi a forma di S intrecciata, superlattici esagonali o persino schemi a spina di pesce (vedi immagine). "Abbiamo così dimostrato che è possibile creare disposizioni molto complesse in due fasi, utilizzando semplici blocchi di costruzione, nel nostro caso piccole sfere", spiega Isa.

Con l'aiuto di simulazioni al computer, lui e il suo team - tra cui due studenti di master che hanno partecipato agli esperimenti - sono stati in grado di dimostrare che i modelli complessi derivavano in realtà solo dalla repulsione delle sfere tra loro. In particolare, la repulsione tra le sfere del primo strato, ora rigido, e quelle del secondo ha portato alla cosiddetta frustrazione. Ciò significa che le sfere mobili non potevano più disporsi liberamente, ma dovevano seguire lo schema del primo strato, anche se naturalmente si sarebbero disposte in modo diverso.

Progettazione mirata di strutture

Isa considera il suo metodo un passo importante verso la progettazione mirata di strutture complesse e auto-organizzate a partire da semplici elementi di base. La forma dei blocchi di base e il grado di compressione possono essere selezionati in modo tale che alla fine emerga un modello predeterminato. Questi modelli possono essere cristalli regolari con strutture reticolari periodiche più o meno complesse. Isa spera tuttavia di poter estendere il metodo di produzione ai quasicristalli, che presentano un certo ordine locale ma i cui schemi non si ripetono periodicamente nello spazio. Se da un lato Isa trova tutto questo molto interessante per ragioni puramente scientifiche, dall'altro vede anche potenziali applicazioni concrete. Ad esempio, si potrebbero produrre modelli di superficie personalizzati con proprietà ottiche specifiche o che presentino un comportamento di bagnatura o attrito desiderato. Questi potrebbero essere utilizzati per rivestire componenti ottici o altri materiali.