Una guida di spugna al nano-assemblaggio

Uno degli obiettivi attuali della nanotecnologia è creare facilmente ed economicamente materiali ad alte prestazioni strutturati su scala nanometrica. E una delle strategie più promettenti è tentare di imitare la straordinaria capacità della natura di autoassemblare forme complesse con precisione su scala nanometrica. Ora i ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara (UCSB), utilizzando indizi raccolti da spugne marine, hanno sviluppato un metodo per sintetizzare materiali semiconduttori con strutture utili e nuove proprietà elettroniche. Le prime applicazioni potrebbero essere modi per produrre materiali per batterie più potenti e celle solari altamente efficienti a un prezzo inferiore.

Questa struttura di vetro, formata da una specie di spugna marina, ha contribuito a ispirare gli scienziati a studiare tali organismi per imparare come assemblare facilmente strutture complesse su nanoscala. (Per gentile concessione di James Weaver e Daniel E. Morse, Università della California, Santa Barbara.)

Stiamo accedendo a strutture che in alcuni casi non erano mai state realizzate prima. E in alcuni casi stiamo scoprendo proprietà elettroniche che non erano mai state conosciute prima per quella classe di materiali, dice Daniele Morse , professore di genetica molecolare e biochimica all'UCSB, che ha guidato il progetto. Il metodo funziona con un'ampia varietà di materiali. Finora, dice, il gruppo ha prodotto 30 diversi tipi di ossidi, idrossidi e fosfati.

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Le odierne celle solari e batterie sono frenate, in parte, dalla loro limitata capacità di trasportare portatori di carica elettrica, come elettroni e ioni positivi, dentro e fuori i materiali attivi. Un progresso che potrebbe aiutare è aumentare l'area superficiale di un materiale, mantenendo allo stesso tempo una struttura a film sottile che può essere facilmente incorporata come strato di elettrodo in un dispositivo.

Morse e i suoi colleghi hanno iniziato la loro ricerca studiando i metodi utilizzati dalle spugne marine per creare intricati scheletri di vetro chiamati spicole (vedi illustrazione). Un tipo di spugna produce un cilindro che sembra fatto di fibre di vetro intrecciate, sebbene non sia affatto tessuto, ma assemblato molecola per molecola per creare la struttura.

In particolare, i ricercatori hanno studiato un tipo di spugna che realizza minuscoli aghi di vetro. Hanno scoperto che i geni responsabili delle strutture in vetro codificano per enzimi che fungono sia da modello fisico per la struttura sia da catalizzatore per l'assemblaggio di precursori molecolari nel materiale desiderato.

Gli scienziati hanno sviluppato un metodo di sintesi che utilizza i principi di base alla base del metodo di assemblaggio naturale: catalisi lenta e utilizzo di un modello fisico. Hanno scoperto di essere in grado di assemblare non solo il vetro, ma anche una varietà di materiali semiconduttori che potrebbero essere utili nei dispositivi.

Il metodo inizia con una soluzione di precursori molecolari. I ricercatori espongono quindi la soluzione al vapore di ammoniaca, che, diffondendosi lentamente nella soluzione, funge da catalizzatore. Il modello fisico per il materiale è la superficie della soluzione. Su questa superficie, dove la concentrazione di vapore è maggiore, il materiale forma un film sottile.

All'inizio i cristalli si formano sulla [superficie], ma con il tempo iniziano a proiettarsi nella soluzione come stalattiti che crescono dal tetto di una grotta, dice Morse. Ciò che si ottiene è un film sottile nanostrutturato di semiconduttore con un'area superficiale molto elevata a causa di tutte le lamine o aghi sporgenti che sporgono nella soluzione.

Il metodo funziona a basse temperature, circa la temperatura ambiente, mentre le tecniche convenzionali per realizzare film sottili semiconduttori richiedono temperature elevate: 400 gradi Celsius, afferma Morse. Inoltre non richiede acidi e basi aggressivi spesso usati. Oltre a rendere il processo più economico e più facile, le condizioni miti potrebbero portare a dispositivi che incorporano materiali che sarebbero impossibili da utilizzare con i processi convenzionali. A volte, ad esempio, i materiali che possono essere utilizzati in un dispositivo sono limitati dalle alte temperature utilizzate per realizzare i materiali. Se riesci a farli tutti a temperatura ambiente, allora potresti essere in grado di drogarli con droganti che normalmente non potresti usare ad alta temperatura, dice Angela Belcher , professore di scienze e ingegneria dei materiali e ingegneria biologica al MIT, che trova il lavoro di Morse molto eccitante.

In definitiva, il guadagno del lavoro di Morse che studia i meccanismi biologici potrebbe essere più che nuovi film sottili, afferma Aravinda Kini , Direttore dei programmi di scienza e ingegneria dei materiali del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. Sebbene l'attuale processo funzioni solo per i film sottili, un'ulteriore comprensione dei metodi di catalisi e modellazione delle spugne potrebbe un giorno rendere possibile la fabbricazione di parti di macchine complesse mettendo insieme molecole. È ancora un sogno, ma immagina che la pala di un motore aeronautico venga assemblata dal basso verso l'alto, senza alcun difetto, senza metodi di fabbricazione molto costosi, dice. Questo è ciò che è possibile. Questo è ciò che le persone sognano.

Immagine della home page per gentile concessione di Kristian Roth, Birgit Schwenzer e Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.

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