Nuovo studio svela le leggi universali all’origine dei materiali nanostrutturati

La transizione mediante la quale nanoparticelle colloidali si aggregano per formare un materiale solido nanostrutturato è descritta da leggi universali, indipendenti dalle caratteristiche chimico-fisiche di un dato sistema.

A dimostrarlo uno studio, guidato da Alessio Zaccone, docente del dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" dell’Università Statale di Milano e da Peter Schall dell’Università di Amsterdam, è stato pubblicato in versione Open Access su Nature Communications il 16 luglio.

Integrando in maniera sinergica teoria, simulazioni numeriche ed esperimenti di microscopia confocale, il team di ricerca italo-olandese ha dimostrato, per la prima volta dopo decenni di accesi dibattiti, che la gelazione colloidale - transizione di fase che permette alle nanoparticelle colloidali di aggregarsi per dar vita a un materiale solido nanostrutturato - corrisponde a una transizione di fase continua del secondo ordine che però avviene lontano dall’equilibrio termodinamico.

“Le transizioni di fase, che portano ad esempio da un gas a un liquido o da un liquido a un solido – afferma Alessio Zaccone, docente di Fisica della materia all’Università Statale di Milano - sono classificate come transizioni di primo ordine se vi è una discontinuità in certi parametri termodinamici oppure di secondo ordine se quei parametri variano in maniera continua attraverso la transizione. Questo fa una grande differenza perché cambiano le leggi matematiche che consentono di prevedere il punto di transizione e le sue caratteristiche, oltre che le caratteristiche fisiche dei materiali che vengono formati”.

Nell’ambito delle nanoparticelle si tratta di una transizione di fase molto peculiare in quanto le nanoparticelle nella fase sol sono disperse in un liquido (ad esempio, l’acqua) come particelle singole o come “cluster” isolati gli uni dagli altri, mentre nella fase solida o fase gel i cluster costituiscono un network apparentemente “disordinato” o caotico ma che in realtà possiede un’elevata simmetria di carattere frattale. La natura frattale del materiale, quindi, implica che nel solido nanostrutturato la densità di nanoparticelle, misurata a partire da qualsiasi punto del materiale, decade con legge di potenza governata da un esponente chiamato dimensione frattale. Altri esempi di oggetti frattali sono i fiocchi di neve, i network di fiumi, alcuni sistemi montuosi o la costa della Gran Bretagna.

Per decenni si è cercato di stabilire se e come la transizione delle nanoparticelle disciolte in un liquido che si trasformano in un solido frattale nanostrutturato fosse governata da una transizione di fase termodinamica. Questo nuovo studio, pubblicato su Nature Communications, dimostra che la transizione di fase con i suoi esponenti critici che regolano la distribuzione di taglia dei cluster frattali sia nella fase sol che nella fase gel, e la stessa dimensione frattale – ovvero la struttura del materiale - sono prevedibili su base teorica e gli stessi valori degli esponenti previsti per via teorica sono stati osservati sperimentalmente usando microscopia confocale e anche simulazioni di dinamica molecolare al calcolatore.

“Questo risultato – conclude il professor Zaccone - è un grande passo avanti per controllare e sviluppare materiali nanostrutturati con una desiderata struttura frattale e per quantificarne il processo di sintesi industriale. Le applicazioni sono molteplici e vanno da gel colloidali usati nell’agricoltura per il rilascio controllato di agenti attivi, a gel di proteine impiegati nelle biotecnologie e nel drug delivery, fino a materiali polimerici rafforzati con network frattali di nanoparticelle per pneumatici che consentono di ridurre le emissioni inquinanti dei veicoli”.

Lo studio è stato co-finanziato da Unilever e da US Army Research Office.