Tecnica per vedere all’interno dei cristalli

Sviluppando particelle trasparenti e immaginando le loro posizioni, i ricercatori hanno fatto luce sugli interni mai visti prima delle strutture cristalline

Le strutture dei cristalli molecolari vengono identificate utilizzando tecniche di scattering perché non possiamo vedere al loro interno. Le particelle colloidali di dimensioni micrometriche consentono l’osservazione in tempo reale della cristallizzazione con la microscopia ottica, ma in pratica ciò è ancora ostacolato dalla mancanza di “visione a raggi X”.

Un team di ricercatori della New York University ha creato un nuovo modo di visualizzare i cristalli scrutando all'interno delle loro strutture, simile alla visione a raggi X. La loro nuova tecnica, che hanno giustamente chiamato “Crystal Clear”, combina l’uso di particelle trasparenti e microscopi con laser che consentono agli scienziati di vedere ogni unità che compone il cristallo e di creare modelli tridimensionali dinamici.

«Si tratta di una potente piattaforma per studiare i cristalli», afferma il dottor Stefano Sacanna (1), professore di chimica alla New York University e ricercatore principale dello studio, pubblicato sulla rivista Nature Materials (2). «In precedenza, se guardavi un cristallo colloidale al microscopio, potevi solo avere un’idea della sua forma e della struttura della superficie. Ma ora possiamo vedere all’interno e conoscere la posizione di ogni unità nella struttura».

I cristalli atomici sono materiali solidi i cui elementi costitutivi sono posizionati in modo ordinato e ripetuto. Di tanto in tanto un atomo manca o è fuori posto, provocando un difetto. La disposizione degli atomi e dei difetti è ciò che crea diversi materiali cristallini, dal sale da cucina ai diamanti, e gli conferisce le loro proprietà.

Per studiare i cristalli, molti scienziati, incluso Sacanna, guardano ai cristalli composti da minuscole sfere chiamate particelle colloidali anziché atomi. Le particelle colloidali sono minuscole, spesso intorno al micrometro di diametro, o decine di volte più piccole di un capello umano, ma sono molto più grandi degli atomi e quindi più facili da vedere al microscopio.

Una struttura trasparente

Nel loro lavoro in corso per comprendere come si formano i cristalli colloidali, i ricercatori hanno riconosciuto la necessità di vedere all’interno di queste strutture. Guidato da Shihao Zang, uno studente di dottorato nel laboratorio di Sacanna e primo autore dello studio, il team ha deciso di creare un metodo per visualizzare gli elementi costitutivi all'interno di un cristallo. Per prima cosa hanno sviluppato particelle colloidali trasparenti e hanno aggiunto molecole coloranti per etichettarle, rendendo possibile distinguere ciascuna particella al microscopio utilizzando la sua fluorescenza.

Un microscopio da solo non consentirebbe ai ricercatori di vedere all'interno di un cristallo, quindi si sono rivolti a una tecnica di imaging chiamata microscopia confocale, che utilizza un raggio laser che scansiona il materiale per produrre una fluorescenza mirata dalle molecole del colorante. Ciò rivela ogni piano bidimensionale di un cristallo, che può essere impilato uno sopra l'altro per costruire un modello digitale tridimensionale e identificare la posizione di ciascuna particella. I modelli possono essere ruotati, tagliati e smontati per guardare all'interno dei cristalli e vedere eventuali difetti.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato questo metodo di imaging sui cristalli che si formano quando due cristalli dello stesso tipo crescono insieme, un fenomeno noto come “gemellaggio”. Quando hanno guardato all'interno di modelli di cristalli aventi strutture equivalenti al sale da cucina o ad una lega di rame e oro, hanno potuto vedere il piano condiviso dei cristalli adiacenti, un difetto che dà origine a queste forme particolari. Questo piano condiviso ha rivelato l'origine molecolare del “gemellaggio”.

Cristalli in movimento

Oltre a osservare i cristalli statici, questa nuova tecnica consente agli scienziati di visualizzare i cristalli mentre cambiano. Ad esempio, cosa succede quando i cristalli si sciolgono: le particelle si riorganizzano e i difetti si spostano? In un esperimento in cui i ricercatori hanno fuso un cristallo con la struttura del sale minerale cloruro di cesio, sono rimasti sorpresi di scoprire che i difetti erano stabili e non si muovevano come previsto.

Per convalidare i propri esperimenti sui cristalli statici e dinamici, il team ha anche utilizzato simulazioni al computer per creare cristalli con le stesse caratteristiche, confermando che il loro metodo “Crystal Clear” ha catturato accuratamente ciò che c’è all’interno dei cristalli.

«In un certo senso, stiamo cercando di mettere fuori gioco le nostre simulazioni con questo esperimento: se riesci a vedere all'interno del cristallo, potresti non aver più bisogno delle simulazioni», ironizza il dottor Glen Hocky (3), assistente professore di chimica alla New York University, una facoltà membro del Simons Center for Computational Physical Chemistry presso la New York University e co-autore corrispondente dello studio.

Ora che gli scienziati hanno un metodo per visualizzare l’interno dei cristalli, possono studiare più facilmente la loro storia chimica e il modo in cui si formano, il che potrebbe aprire la strada alla costruzione di cristalli migliori e allo sviluppo di materiali fotonici che interagiscono con la luce.

«Essere in grado di vedere all’interno dei cristalli ci dà una visione più approfondita di come funziona il processo di cristallizzazione e può forse aiutarci a ottimizzare il processo di crescita dei cristalli in base alla progettazione», conclude il dottor Sacanna.

Altri autori dello studio includono Adam Hauser e Sanjib Paul della New York University. La ricerca è stata supportata dall'US Army Research Office (numero di riconoscimento W911NF-21-1-0011), con il supporto aggiuntivo del National Institute of Health (R35GM138312) e ha utilizzato le risorse IT della NYU High Performance Computing, comprese quelle supportate dal Simons Centro di chimica fisica computazionale presso la New York University (numero di concessione 839534).

Riferimenti:

(1) Stefano Sacanna

(2) Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization

(3) Glen Hocky

Descrizione foto: La nuova tecnica consente agli scienziati di vedere ogni particella che costituisce i cristalli colloidali e di creare modelli tridimensionali dinamici. - Credit: Shihao Zang, NYU.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Develop “X-Ray Vision” Technique to See Inside Crystals