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Un gruppo di ricercatori del MIT ha ribaltato vent’anni di convinzioni nella scienza dei materiali. Usando legami molecolari flessibili al posto di quelli rigidi, il team è riuscito a controllare il modo in cui le nanoparticelle si uniscono tra loro e a ottenere strutture cristalline mai osservate prima. Lo studio, destinato alla rivista Nature Materials, mostra come la flessibilità e la carica elettrica dei connettori molecolari possano decidere la forma finale delle strutture. Le ricadute potenziali toccano elettronica, medicina, energia, agricoltura e produzione chimica.
A guidare il lavoro è Rob Macfarlane, professore di metallurgia al Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. “È l’esatto contrario di quello che il dogma sostiene da 20 anni, cioè che i ligandi di collegamento devono essere rigidi e che qualsiasi deviazione fa fallire l’assemblaggio. Abbiamo dimostrato che spingendo tutto all’estremo opposto funziona altrettanto bene”, spiega. Con lui hanno lavorato il dottorando Nicholas Sbalbi, Stephen Kronenberger dell’Università del Delaware, la studentessa Hana Shinzawa, Matthew Ye, che ha concluso il dottorato nel 2026, e Arthi Jayaraman, ex docente dello stesso ateneo del Delaware.
Perché le nanoparticelle sono così difficili da domare
Alla base di tutto c’è un principio semplice. Il modo in cui sono disposti i componenti più piccoli di un materiale ne determina il comportamento. Le nanoparticelle, frammenti minuscoli di materia di cui si possono regolare forma, dimensioni e proprietà, sono già impiegate nel rilascio di farmaci, nell’accumulo di energia, nell’informatica e nei sensori. Il vero problema nasce quando si prova a trasformarle in materiali più grandi e ordinati.
Bisogna stabilire non solo a quante particelle vicine si lega ciascuna, ma anche in quali direzioni. Senza questo controllo tendono ad ammassarsi in configurazioni compatte che limitano parecchio la varietà di strutture ottenibili. Finora le strade erano due: cambiare la forma delle particelle oppure modificare zone specifiche della loro superficie, un po’ come si progettano i pezzi di un puzzle che combaciano solo in certi punti. Metodi utili ma complicati e difficili da portare su larga scala. “Funzionano per un materiale, su una scala di dimensioni, in una condizione. Vanno bene per studiare, ma non ci si può fare molto”, osserva Macfarlane.
Entrambe le strategie si affidano ai ligandi, molecole che si attaccano alla superficie delle particelle e le collegano tra loro. Tradizionalmente venivano resi rigidi per mantenere angoli precisi, cosa che però restringeva le combinazioni possibili.
La scommessa dei legami flessibili e i nuovi superreticoli
Il team ha scelto la via opposta, cioè rendere i legami così flessibili da rendere irrilevante la direzione iniziale. I ligandi si riorganizzano mentre le particelle si avvicinano e proprio questa riorganizzazione limita il numero di vicini che ciascuna può legare. Il laboratorio di Macfarlane lavora da anni con catene polimeriche, grandi molecole formate da unità ripetute e naturalmente adattabili. Nel nuovo sistema le nanoparticelle sono state dotate di ligandi molto flessibili con cariche elettriche alle estremità, alcune positive e altre negative. Le cariche opposte si attraggono e i connettori si piegano verso il partner giusto, mentre la flessibilità regola quante connessioni ogni particella riesce a formare. Questo numero si chiama valenza e il sistema tende spontaneamente verso quella che garantisce i legami più stabili.
Gli esperimenti condotti da Sbalbi hanno dimostrato che bastano due parametri piuttosto semplici per orientare il risultato: la dimensione delle particelle e la lunghezza delle catene molecolari. Riducendo le connessioni tra vicini, i ricercatori hanno ottenuto disposizioni più aperte rispetto a quelle compatte che si formano di solito, dando vita a superreticoli mai visti, ovvero reti ordinate e ripetute composte da nanoparticelle invece che da atomi. “La quantità di flessibilità del polimero detta quanti legami ha ogni particella. Ci permette di abbassarne il numero e creare reticoli che non avevamo mai visto prima”, spiega Macfarlane.
La flessibilità molecolare, a lungo considerata un ostacolo all’assemblaggio preciso, diventa così uno strumento per progettare nuove architetture. Secondo i ricercatori il metodo potrebbe avvicinare uno degli obiettivi più inseguiti della disciplina, quello dei materiali su misura in cui scegliere le proprietà delle singole nanoparticelle.
Fonte: TecnoAndroid