Processo di formazione dei cristalli su una superficie

Il sistema di autoassemblaggio basato sul DNA fa luce sui processi essenziali per i semiconduttori e le nanotecnologie.

Il processo di cristallizzazione, in cui atomi o molecole si allineano in schiere ordinate come soldati in formazione, è la base per molti dei materiali che definiscono la vita moderna, incluso il silicio in microchip e celle solari. Tuttavia, anche se molte utili applicazioni per i cristalli implicano la loro crescita su superfici solide (piuttosto che in soluzione), c'è stata una carenza di buoni strumenti per studiare questo tipo di crescita.

Ora, un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Draper ha trovato il modo di riprodurre la crescita dei cristalli sulle superfici, ma su una scala più ampia che rende il processo molto più facile da studiare e analizzare. Il nuovo approccio è descritto in un articolo sulla rivista Nature Materials, (1) di Robert Macfarlane (2) redatto da Leonardo Zomberg del MIT, Diana Lewis PhD '19 e David Carter a Draper.

Invece di assemblare questi cristalli da atomi reali, la chiave per rendere il processo facile da osservare e quantificare era l'uso di “equivalenti atomici programmabili” o PAE, spiega il dottor Macfarlane. Questo funziona perché il modo in cui gli atomi si allineano a reticoli cristallini è interamente una questione di geometria e non si basa sulle proprietà chimiche o elettroniche specifiche dei suoi componenti.

Il team ha utilizzato nanoparticelle sferiche d'oro, rivestite con singoli fili appositamente selezionati di DNA geneticamente modificato, che conferiscono alle particelle un aspetto approssimativo delle sfere di Koosh. I singoli filamenti di DNA hanno la proprietà intrinseca di attaccarsi strettamente ai corrispondenti filamenti reciproci, per formare la classica doppia elica, quindi questa configurazione fornisce un modo infallibile per far sì che le particelle si allineino esattamente nel modo desiderato.

Il dottor Robert Macfarlane dice: «Se metto un pennello molto denso di DNA sulla particella, creerà il maggior numero di legami con il maggior numero possibile di vicini. Se progetti tutto in modo appropriato e lo elabori correttamente, formeranno strutture cristalline ordinate. Mentre questo processo è noto da alcuni anni, questo lavoro è il primo ad applicare quel principio per studiare la crescita dei cristalli sulle superfici. Comprendere come i cristalli crescono verso l'alto da una superficie è incredibilmente importante per molti diversi campi.»

L'industria dei semiconduttori, ad esempio, si basa sulla crescita di grandi materiali monocristallini o multicristallini che devono essere controllati con grande precisione, ma i dettagli del processo sono difficili da studiare. Ecco perché l'uso di analoghi sovradimensionati come i PAE può essere di tale beneficio.

I PAE, spiega il ricercatore, «si cristallizzano esattamente nello stesso percorso delle molecole e degli atomi. E quindi sono un sistema proxy molto interessante per capire come avviene la cristallizzazione. Con questo sistema, le proprietà del DNA determinano il modo in cui le particelle si assemblano e la configurazione 3D in cui finiscono. Hanno progettato il sistema in modo tale che i cristalli si nucleano e crescano a partire da una superficie e adattando le interazioni sia tra le particelle, sia tra le particelle e la superficie rivestita di DNA, possiamo dettare le dimensioni, la forma, l'orientamento e il grado di anisotropia (direzionalità) nel cristallo. Comprendendo il processo che sta attraversando per formare effettivamente questi cristalli, possiamo potenzialmente usarlo per comprendere i processi di cristallizzazione in generale.» afferma Macfarlane.

Egli spiega che non solo le strutture cristalline risultanti sono circa 100 volte più grandi di quelle atomiche attuali, ma i loro processi di formazione sono anche molto più lenti. La combinazione rende il processo molto più facile da analizzare in dettaglio. I metodi precedenti per caratterizzare tali strutture cristalline hanno mostrato solo i loro stati finali, mancando così le complessità nel processo di formazione.

«Posso cambiare la sequenza del DNA; posso cambiare il numero di filamenti di DNA nella particella; posso cambiare la dimensione della particella e posso modificare ciascuna di queste singole maniglie in modo indipendente», afferma il dottor Macfarlane. «Quindi, se volessi essere in grado di dire, OK, ipotizzo che questa particolare struttura potrebbe essere favorita in queste condizioni se sintonizzassi l'energia in questo modo, è un sistema molto più facile da studiare con i PAE di quanto non sarebbe con gli atomi stessi.»

Il sistema è molto efficace, dice, ma i filamenti di DNA modificati in un modo che consente l'attaccamento alle nanoparticelle possono essere piuttosto costosi. Come passo successivo, il laboratorio Macfarlane ha anche sviluppato blocchi a base di polimeri che mostrano risultati promettenti nel replicare questi stessi processi e materiali di cristallizzazione, ma che possono essere realizzati a basso costo su scala multigramma.

Il lavoro è stato in parte supportato da una borsa di studio Draper e dalla National Science Foundation e ha utilizzato le strutture del Materials Technology Laboratory presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Descrizione foto: il processo di formazione dei cristalli su una superficie piana, come mostrato in questa immagine al microscopio elettronico, è stato finora difficile da studiare in dettaglio. - Credit: immagine gentilmente concessa da Robert Macfarlane.

Riferimenti:

(1) Single-crystal Winterbottom constructions of nanoparticle superlattices

(2) Robert Macfarlane

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Technique reveals how crystals form on surfaces