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Una svolta nell’assemblaggio del cristallo colloidale

Le nanoparticelle vengono sintetizzate in un’ampia varietà di dimensioni e forme, aventi diverse proprietà. La trasformazione di queste particelle in cristalli colloidali o vetri per applicazioni fotoniche richiede la loro disposizione in assemblaggi ordinati al fine di poter manifestare proprietà elettroniche e ottiche specifiche.
Una svolta nell’assemblaggio del cristallo colloidale
Il progetto COSAAC (Computational study of assisted assembly of colloids), finanziato dall’UE, è stato avviato per esaminare la possibilità di aiutare la formazione di tali strutture ordinate. Gli scienziati hanno effettuato esperimenti mediante l’utilizzo di campi elettrici esterni e cambiando le condizioni termodinamiche con cui vengono assemblate le nanoparticelle.

Tra le possibilità studiate, figura l’assemblaggio di cristalli colloidali mediante l’utilizzo di nuclei di cristallizzazione, relativi alla struttura di destinazione. Aiutando la formazione di ghiaccio mediante l’impiego di tali nuclei di cristallizzazione, gli scienziati hanno potuto misurare il tasso di nucleazione del ghiaccio a temperature comprese tra -35 e -40 gradi Celsius.

Il team COSAAC ha combinato i dati sperimentali con i risultati delle simulazioni per predire il tasso di nucleazione del ghiaccio per una più vasta gamma di temperature. Le previsioni forniscono un valido contributo per i modelli relativi ai cambiamenti climatici che riproducono la formazione di ghiaccio nelle nubi presenti nella troposfera.

Gli scienziati hanno sperimentato l’uso di pinzette ottiche per confinare le particelle e assistere la formazione di regioni cristalline. Nelle simulazioni al computer dello sviluppo di nucleazione del cristallo, sono stati in grado di stimare l’energia nell’interfaccia cristallo-fluido, in modo accurato ed efficiente.

Aiutando la formazione di cristalli con tali tecniche, il progetto COSAAC ha rivelato la fisica che sta dietro l’effetto di decelerazione in quanto alla pressione sulla nucleazione del ghiaccio. Questo effetto permette la crioconservazione di campioni biologici, la quale vanta un margine di miglioramento grazie all’applicazione di campi elettrici e pressione.

Infine, è stato studiato l’assemblaggio di strutture disordinate, modificando le condizioni termodinamiche che consentono la loro formazione. Gli esperimenti sono stati focalizzati sui vetri colloidali composti da particelle di forma sferica. Un rapido cambiamento di pressione si è rivelato sufficiente a modificare la resistenza del vetro alla cristallizzazione.

La cristallizzazione è ampiamente conosciuta come devetrificazione, e deve essere evitata per garantire le caratteristiche meccaniche desiderate per i vetri. Al fine di minimizzare il loro contenuto di cristallo, gli scienziati hanno definito specifici protocolli di compressione per la formazione mediante pressione assistita. La comprensione della devetrificazione è stato il primo passo per evitare tale processo.

A differenza dell’auto-assemblaggio di strutture cristalline, la metodologia sviluppata per l’assemblaggio assistito vanta il potenziale per una fabbricazione bottom-up di materiali funzionali, in una vasta gamma di applicazioni. I numerosi e importanti risultati del progetto COSAAC sono stati descritti in 15 lavori pubblicati su riviste internazionali specializzate.

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Argomenti

Life Sciences

Keywords

Cristallo colloidale, vetro per applicazioni fotoniche, COSAAC, auto-assemblaggio, assemblaggio assistito