Russi e cinesi svelano il segreto delle nanoparticelle "magiche"

Chimici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MFTI), dello Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltekh) e di diversi istituti cinesi hanno capito che atomi e nanoparticelle hanno una struttura simile. Questo spiegherebbe l'esistenza di particelle insolitamente stabili con una composizione "magica".

"Per noi una delle sorprese è stato scoprire nelle nanoparticelle le stesse isole di stabilità e gli stessi "mari" di instabilità dei nuclei atomici. Probabilmente le nanoparticelle stabili sono mattoni elementari per la crescita dei cristalli", spiega Artyom Oganov, professore all'MFTI e allo Skoltekh.

Negli ultimi decenni biologi, chimici e fisici hanno utilizzato le nanoparticelle per la creazione di nuovi catalizzatori, per trovare una cura al cancro, per creare vari dispositivi elettronici e ottici. Le proprietà di queste nanostrutture oggi vengono studiate solo in maniera sperimentale.

Gli scienziati modificano la forma delle nanoparticelle, le loro dimensioni e la loro disposizione nella speranza di scoprire materiali con proprietà uniche o comunque più interessanti. Questa ricerca "alla cieca" permette di creare materiali molto interessanti, ma non di farlo velocemente e di sapere in anticipo quale strada prendere.

A Oganov e i suoi colleghi interessava il motivo per cui alcune nanoparticelle che gli studiosi talvolta definiscono "magiche" posseggano una stabilità incredibilmente elevata e altre proprietà interessanti.

Gli scienziati hanno tentato di rispondere a questa domanda impiegando l'algoritmo USPEX, in grado di calcolare con rapidità e precisione le proprietà dei cristalli di varie sostanze a temperature e pressioni molto elevate grazie allo studio "della loro formula chimica e del nome degli elementi".

Con alcune nanoparticelle "magiche", tradizionali e instabili composte da ossidi di ferro e cerio chimici russi e cinesi hanno tentato di decifrare la loro struttura utilizzando le informazioni relative alla loro composizione chimica "media" e affidandosi all'algoritmo di Oganov. Questi calcoli hanno portato a una scoperta insolita e interessante.

"Sia il nucleo atomico sia le nostre nanoparticelle possono essere descritti come cluster composti da due tipi di particelle formate, a loro volta, da atomi di ferri e ossigeno o da protoni e neutroni. Se si disegna un grafico i cui assi rappresentano il numero di atomi di ogni tipologia presente nel cluster, si noterà che la maggior parte dei cluster stabili formano strette "catene di stabilità". Inoltre, sorgeranno anche "isole di stabilità" piuttosto curiose", continua Oganov.

In altre parole, sul grafico si potranno identificare "zone magiche", cioè determinate quantità di atomi di ferro, cerio e ossigeno che rendono le nanoparticelle particolarmente stabili. Come per la fisica nucleare, è possibile che esistano strutture molto stabili con la quantità "corretta" di atomi di ossigeno e di un metallo.

Molti degli "abitanti" di questa isola di stabilità, osservano gli scienziati, possiedono una struttura insolita. Contengono una quantità eccessiva di atomi di un particolare elemento, cosa che i chimici pensavano fosse impossibile all'inizio. Tuttavia, sia i calcoli di Oganov sia gli esperimenti in laboratorio dimostrano che queste strutture rimangono stabili anche a temperatura ambiente.

Inoltre, questi chimici sono riusciti a capire come modificare il contenuto di queste nanoparticelle e manipolare la loro struttura cambiandone temperatura, pressione e quantità di ossigeno nell'ambiente al momento della loro sintesi. Gli scienziati sperano che la loro scoperta possa accelerare la creazione di altre interessanti e utili nanoparticelle.