Autoassemblaggio di particelle che cambiano attivamente
Sfruttando la capacità intrinseca della natura per l’autoassemblaggio, creando essenzialmente prodotti di dimensioni nanometriche che si costruiscono da blocchi riconfigurabili e adattivi, una sorta di Santo Graal per gli ingegneri. La maggior parte degli studi si è concentrata su componenti con forme e interazioni che non cambiano durante il processo di assemblaggio (cioè sono statiche). Alcuni scienziati finanziati dall’UE impegnati nel progetto ACTSA (“Active self-assembly”) stanno spostando i confini per migliorare la comprensione delle attività di autoassemblaggio attraverso studi teorici, simulazioni al computer ed esperimenti. Il modo più fitto per imballare oggetti nello spazio, noto anche come il problema di packing, intriga gli scienziati e i filosofi da millenni. Oggi, il packing avviene in vari sistemi tra le tante scale di lunghezza da batterie e catalizzatori per l’autoassemblaggio di nanoparticelle, colloidi e biomolecole. Nonostante il fatto che le proprietà tanti sistemi dipendano dal packing di componenti di forme diverse, non abbiamo ancora conoscenza generale di come il packing vari in funzione della forma delle particelle. In questo progetto, abbiamo condotto uno studio esaustivo di come il packing dipenda dalla forma, studiando il packing di oltre 55 000 poliedri. Le nostre tracce di densità superficiale risultanti possono essere utilizzate per guidare esperimenti che utilizzano la forma e il packing allo stesso modo in cui i diagrammi di fase sono essenziali per la chimica. Le proprietà della forma delle particelle in effetti stanno rivelando il motivo per cui siamo in grado di assemblare alcuni cristalli, la transizione tra diversi di essi o rimanere bloccati nelle trappole cinetiche. L’entropia modula l’ordinamento delle particelle e il comportamento di fase dei colloidi (particelle di una sostanza disperse in un’altra). Gli scienziati ACTSA hanno quantificato le forze entropiche direzionali che tendono ad allineare le particelle vicine. Soprattutto, la squadra ha fornito un quadro per quantificare il ruolo di forma nel packing e nell’autoassemblaggio in sistemi sperimentali in cui altre forze contribuiscono all’assemblaggio. Infine, il team ha dimostrato che il meccanismo si verifica in una vasta gamma di sistemi. I ricercatori hanno anche studiato fenomeni emergenti nei sistemi di spinner, particelle caratterizzate da una coppia interna costante in senso orario o antiorario. Hanno dimostrato che il movimento attivo dei corpi rigidi altrimenti non interagenti induce un’interazione efficace che favorisce la rotazione nella stessa direzione. Questo può condurre a comportamenti auto-organizzativi e di cooperazione che non sono possibili nei sistemi di equilibrio (senza attività applicata). I risultati fino ad oggi hanno già portato a tre pubblicazioni. Il progetto quindi dovrebbe dare un importante contributo alla comprensione delle forze che guidano l’auto-assemblaggio in sistemi di particelle interagenti modo complesso. Questo, a sua volta, potrebbe aiutare gli ingegneri e i designer a creare nuovi sistemi di materiali biomimetici con capacità di auto-assemblaggio per una nuova era di nanodispositivi.
Parole chiave
Autoassemblaggio, particelle, biomedicina, scienza dei materiali, forze entropiche
