Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

Nel mondo delle minuscole particelle sospese in un liquido, note come colloidi, il modo in cui le cose si uniscono dipende fortemente dalla loro forma e da dove sono "appiccicose". Immaginate una folla di persone che cerca di formare una fila; se tutti fossero perfettamente rotondi ed equamente amichevoli con tutti gli altri, si compatterebbero naturalmente il più possibile, senza lasciare spazi vuoti. Tuttavia, se date a queste persone una regola specifica — ad esempio, possono tenersi per mano solo con due persone specifiche in piedi ai lati opposti di loro, e hanno la forma di lunghi ovali invece che di cerchi — il risultato è interamente diverso. Invece di un blocco solido e compatto, sono costrette ad organizzarsi in reti aperte e porose con buchi al centro. Gli scienziati sono da tempo interessati a queste strutture aperte perché le loro forme uniche possono controllare il modo in cui la luce attraversa di esse o in cui i fluidi si muovono attraverso di esse, proprietà che sono vitali per la creazione di materiali avanzati. Un esempio famoso di tale struttura è il reticolo kagome, un modello che ricorda un cesto intrecciato, altamente ordinato ma pieno di spazio vuoto.

Ricercatori dell'Università Tecnica di Vienna hanno recentemente esplorato come il cambiamento della forma di queste particelle appiccicose, da sfere a ellissi allungate, alteri il modo in cui costruiscono queste reti. Hanno utilizzato simulazioni al computer per osservare migliaia di queste particelle di forma ovale, ciascuna con due punti appiccicosi alle estremità opposte, mentre si assemblavano sotto diverse condizioni di temperatura e concentrazione. Il loro obiettivo era vedere se il cambiamento di forma avrebbe semplicemente fatto apparire gli stessi modelli in modo diverso, o se avrebbe cambiato fondamentalmente le regole di come le particelle si trovano l'una con l'altra e si incastrano al loro posto. Hanno scoperto che, sebbene le particelle formassero ancora il bellissimo e ordinato reticolo kagome, il percorso che hanno intrapreso per arrivarci era sorprendentemente diretto. A differenza dei loro corrispettivi rotondi, che tipicamente costruiscono prima lunghe catene e poi le riorganizzano nel modello finale, queste particelle ovali sono passate direttamente alla struttura finita.

Il team ha osservato che, regolando la temperatura e la densità delle particelle, potevano sintonizzare il sistema per essere o un cristallo perfettamente ordinato o una rete disordinata e caotica. Quando le condizioni erano giuste, le particelle formavano una griglia regolare in cui ogni buco era un loop perfetto di sei particelle. Man mano che rendevano l'ambiente più affollato o più freddo, questo ordine iniziava a rompersi. I loop perfetti iniziavano a deformarsi, creando buchi con cinque o sette lati, e infine la rete diventava un miscuglio caotico di diverse forme. Per comprendere questo caos, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di mappare le connessioni. Invece di contare solo quante particelle si toccano, hanno tracciato esattamente quali punti appiccicosi erano connessi. Ciò ha permesso loro di vedere che le particelle ovali avevano una capacità di flessibilità unica; potevano piegare le loro connessioni più facilmente rispetto alle particelle rotonde, il che sembrava aiutarle a saltare la fase intermedia di formazione delle catene e andare direttamente alla costruzione del complesso reticolo.

Lo studio ha anche rivelato che il modo in cui queste reti si rompono non è casuale. Mentre l'ordine scompare, i buchi nella rete non si limitano ad aumentare di dimensione; cambiano carattere. I ricercatori hanno scoperto che la rete sviluppava una preferenza per i buchi a cinque lati rispetto a quelli a sette, uno squilibrio specifico che era stato visto in altri tipi di particelle appiccicose, ma che ora veniva confermato in queste forme ovali. Questo spostamento suggerisce che la forma ovale rende più facile per le particelle formare certi tipi di difetti, rendendo al contempo altri più difficili da ottenere. Il team ha anche individuato alcune strane strutture a forma di scala che si formavano nelle regioni disordinate, che potrebbero competere con il modello kagome per la dominanza, sebbene non avessero ancora potuto provare quale struttura fosse più stabile.

Forse il risultato più significativo fu il modo in cui le particelle si assemblavano da zero. Nelle simulazioni di particelle rotonde, gli scienziati avevano precedentemente osservato un processo in due fasi: le particelle si aggregano prima in lunghe catene filiformi, e solo in seguito queste catene si districano e si riorganizzano nella struttura finale. Le particelle ovali, tuttavia, non hanno fatto questo. Quando i ricercatori hanno abbassato la temperatura per innescare l'assemblaggio, le particelle hanno formato i loop ordinati immediatamente, senza mai passare attraverso la fase di lunghe catene. Ciò suggerisce che la forma allungata delle particelle fornisce un tipo diverso di libertà, permettendo loro di trovare le loro posizioni corrette nel reticolo in modo molto più diretto. I ricercatori hanno notato che, a temperature più basse, i nuclei di queste nuove strutture diventavano più ruvidi e ramificati, pieni di più difetti a cinque lati, indicando che la velocità di assemblaggio avveniva a scapito della perfetta levigatezza.

Questo lavoro fornisce un chiaro esempio di come un semplice cambiamento di geometria — allungare una sfera in un'ellisse — possa riscrivere le regole dell'auto-assemblaggio. Dimostra che il percorso che un materiale compie per formarsi è importante quanto la forma finale che finisce per avere. Introducendo un nuovo metodo per mappare le connessioni tra i punti appiccicosi, i ricercatori si sono dotati di uno strumento potente per guardare dentro queste reti, distinguendo tra semplici legami e loop complessi che erano precedentemente invisibili alla normale analisi. Sebbene lo studio sia stato condotto interamente attraverso simulazioni al computer, i risultati offrono un'ipotesi convincente su come la forma influenzi la formazione di materiali complessi. I risultati suggeriscono che, progettando particelle con forme e punti appiccicosi specifici, gli scienziati potrebbero guidare la formazione di materiali con porosità e ordine precisamente controllati, aprendo nuove porte all'ingegneria di materiali capaci di filtrare, rilevare o condurre la luce in modi che sono attualmente impossibili.