Potenziale elettrostatico per intrappolare oggetti nanometrici
Il controllo dell'auto-assemblaggio di nano-strutture come le nanoparticelle (NP) o nanobacchette (dimensioni di scala atomica o molecolare) apre la strada alla fabbricazione di materiali con proprietà elettriche, magnetice e/o ottiche uniche. Dirigere l'auto-assemblaggio intrappolando oggetti di dimensioni nanometriche è diventata un'area di ricerca attiva in settori come l'ottica quantistica, la biofisica e la medicina clinica, ma rimane tecnicamente difficile. Gli scienziati per un caso fortunato hanno scoperto effetti inaspettati indotti dalla geometria sul confinamento di colloidi caricati e macromolecole attraverso interazioni attrattive (elettrostatiche) con pareti di confinamento caricate in modo uguale in soluzioni debolmente ioniche. Hanno dato inizio al progetto finanziato dall'UE PHOTONANOFLUIDIX ("Self-assembly of confined colloidal objects for the study of nano-optic phenomena") per chiarire la natura di questi effetti. In particolare, gli scienziati stanno studiando l'origine di questa inaspettata forza di attrazione tra entità caricate con carica uguale e la sua dipendenza dalla forza della soluzione ionica, le dimensioni della particella e le dimensioni del confinamento. Sapere queste cose permetterà loro di ottimizzare l'auto-assemblaggio di nano oggetti metallici o dielettrici caricati in reti cristalline per lo studio di fenomeni di dispersione della luce (effetti plasmonici e fotonici). Sono stati fatti importanti progressi nel primo periodo del progetto. Gli scienziati hanno applicato calcoli numerici del potenziale elettrostatico per spiegare l'intrappolamento sperimentale osservato di singoli nano-oggetti. Sono stati fatti altri esperimenti con NP d'oro intrappolate in soluzioni di vari livelli di forza ionica e diverse geometrie di canale, che hanno dimostrato un eccellente accordo tra la teoria e i risultati sperimentali. Andando molto oltre il lavoro proposto inizialmente, gli scienziati hanno dimostrato anche l'intrappolamento di singole vesciche di lipide. Hanno mostrato che il potenziale elettrostatico modulato spazialmente e fatto su misura del sedimento ionico può intrappolare e far levitare oggetti caricati in soluzione. Questo permette un auto-assemblaggio senza contatto e diretto di singole proteine e macromolecole in schiere ad alta densità. Questo lavoro rivoluzionario ha portato a una pubblicazione sulla prestigiosa rivista scientifica Nature (Nature 467, 692-695 (6 ottobre 2010)). Una maggiore comprensione teorica dei meccanismi fondamentali di intrappolamento per singoli nano-oggetti ha reso possibili diverse linee di ricerca nuove. L'intrappolamento di oggetti biologici morbidi promette interessanti nuove applicazioni in biologia e biofisica oltre a, o magari anche insieme alle applicazioni originariamente previste nel campo dell'ottica.
