Nanoparticelle nel palmo della mano

La professoressa di chimica Anne Bentley ha sviluppato un modo innovativo per insegnare la nanoscienza, utilizzando modelli stampati in 3D che rendono visibile l'invisibile

Uno sviluppo recente ed entusiasmante nel campo della chimica è stata la capacità di controllare la morfologia o la forma dei cristalli delle nanoparticelle. Nanoparticelle di forme diverse presentano superfici cristalline (o sfaccettature) diverse rispetto all'ambiente circostante. Il controllo sintetico sulla morfologia delle nanoparticelle ha consentito lo studio dell'influenza delle sfaccettature superficiali sulle proprietà catalitiche delle nanoparticelle.

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 rilevate ad occhio nudo e richiedono un microscopio elettronico altamente specializzato per essere viste.

La dottoressa Anne Bentley (1), docente presso il Dipartimento di Chimica del Lewis & Clark College di Portland, Oregon, spiega: «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. Penso che gran parte della chimica sia al di fuori del regno di ciò che le persone possono tenere tra le mani. Puoi ottenere prove su quello che sta succedendo, 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 ampliarlo è utile».

Quindi la professoressa 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 per stampa 3D, come parte di un articolo di cui è coautrice, pubblicato sul Journal of Chemical Education (2).

Un manuale per studenti di chimica dei materiali

Le nanoparticelle sono disponibili in diverse forme geometriche e sono cristalline, ovvero 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. Le forme derivano da questo imballaggio degli atomi. La motivazione a creare forme diverse dipende in realtà dalla disposizione degli atomi quando il materiale viene tagliato in modi diversi su diversi piani cristallini», afferma Anne Bentley.

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 questi tre per l’articolo».

Trasformare un “miscuglio di numeri” in forme

«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, delle sfaccettature e delle direzioni di crescita del cristallo. Devono anche comprendere il sistema di notazione a tre cifre utilizzato per indicizzare questi attributi, noto come indici di Miller. Altrimenti, questo sistema può sembrare 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 modelli 3D sono particolarmente utili per generare una comprensione di questo argomento chiave della nanoscienza.

Coltivazione di 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.

La dottoressa Anne Bentley studia le nanoparticelle d'oro, note 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 avevano 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.

Ella dice: «È come riciclare. 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 riusciamo a far crescere particelle che hanno solo questa sfaccettatura, questo è un vero vantaggio».

Anne K. Bentley è la professoressa associata di scienze Dr Robert B. Pamplin Jr al Lewis & Clark College, dove studia la chimica dei materiali su scala nanometrica e insegna chimica generale, inorganica e dei nanomateriali. La sua ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (NSF), dalla Camille & Henry Dreyfus Foundation e dalla WM Keck Foundation. Dal 2014, fa parte del gruppo dirigente della Comunità interattiva online dei chimici inorganici (IONiC), un gruppo nazionale che supporta e studia l'insegnamento della chimica inorganica. Il professor Bentley è stato recentemente insignito del Rising Star Award (2020) dell'American Chemical Society, del Lewis & Clark's Division of Student Life Partner Award (2021) e del Lorry Lokey Faculty Excellence Award (2022).

Riferimenti:

(1) Anne Bentley

(2) A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control

Descrizione foto: Anne Bentley, professore associato di chimica alla Lewis & Il Clark College di Portland, Oregon, ha sviluppato un modo innovativo per insegnare la nanoscienza, utilizzando modelli stampati in 3D che rendono visibile l’invisibile. - Credit: Stephen Mercier / Lewis & Clark College.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Placing nanoparticles in the palm of your hand