La luce svela i segreti delle nano eliche, le “viti” dei materiali del futuro

Le nanoparticelle inorganiche chirali, cioè non sovrapponibili alla propria immagine specchiata (come una vite a causa della sua filettatura), disperse nei liquidi hanno dimostrato grandi potenzialità in varie applicazioni tecnologiche. Tra queste i sensori, la creazione di nuovi farmaci e terapie biomimetiche, la nanorobotica. Tuttavia per tutte queste applicazioni, un problema finora aperto era quello di caratterizzare sperimentalmente proprio la chiralità delle particelle.

Su questo interrogativo si è concentrata la ricerca di un team internazionale di scienziati dell'Università di Bath, dell'Università del Nebraska-Lincoln, della Pennsylvania State University e dell'Università dell'East Anglia e a cui ha collaborato anche il Dipartimento di Scienze di base e applicate per l'Ingegneria della Sapienza.

Lo studio, guidato dal professor Ventsislav Valev dell'Università di Bath, e pubblicato su ACS Nano, esplora l'effetto Tyndall, ossia il fenomeno della diffusione della luce facilmente rilevabile nella vita di tutti i giorni, per esempio quando un raggio di sole attraversa ambienti in cui sono sospesi corpuscoli di polvere o gocce d'acqua. Questo fenomeno è dovuto alla presenza in sistemi colloidali, nelle sospensioni o nelle emulsioni di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze d'onda della luce incidente.

Quando delle particelle, solitamente sospese in acqua, vengono illuminate, il modo in cui diffondono la luce contiene informazioni sia sulla loro dimensione che sulla loro geometria. Grazie dunque all'effetto Tyndall lineare è possibile eseguire queste misurazioni, attraverso varie tecniche basate principalmente su sorgenti luminose deboli in cui la luce diffusa conserva la stessa frequenza della luce che illumina. L'effetto Tyndall non lineare, invece, si manifesta quando la luce laser passa attraverso minuscole particelle e viene diffusa a una frequenza doppia rispetto alla luce incidente, permettendo così la misurazione della chiralità .

Il nuovo studio ha analizzato questo effetto non lineare nelle eliche di silicio con una lunghezza di circa 270 nm, che corrispondono per dimensioni ad alcuni virus e grandi corpuscoli cellulari. Quando queste eliche vengono illuminate da una sorgente laser polarizzata circolarmente la luce diffusa può dirci in che modo si avvolgono le eliche di silicio. Ventsislav Valev ha dichiarato: "L'importanza di questa applicazione è data dal fatto che il silicio è l'elemento solido più abbondante sulla Terra, quindi ogni nuova proprietà ha un potenziale per utilizzi sostenibili ed economicamente vantaggiosi. Un altro motivo è che la misurazione del senso di avvolgimento è estremamente necessaria per assemblare materiali inorganici da elementi costitutivi nanotecnologici. L'importanza è simile a quella di realizzare e poi poter misurare la filettatura di una vite standardizzata."

Emilija Petronijevic del Dipartimento di scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria della Sapienza, e autrice della pubblicazione, ha dichiarato: "Questa ricerca porta la caratterizzazione chiro-ottica al livello della "non linearità", un livello superiore rispetto alla, pure utilissima, scala di lunghezza Tyndall. È molto soddisfacente quando gli esperimenti concordano con le previsioni dell'accoppiamento elettromagnetico in forme chirali su scala nanometrica. Questo apre nuove potenzialità per ottimizzare l'effetto e studiare altre combinazioni di materiali. La mia collaborazione a questo studio è stata supportata dal progetto PON Ricerca e Innovazione 2014-2020 "Nanofotonica a basso costo per un sensing chirale verde e sostenibile"".

La ricerca è stata inoltre finanziata dalla Royal Society, dal Leverhulme Trust e dall'Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC).

Riferimenti:

Chiroptical Second-Harmonic Tyndall Scattering from Silicon Nanohelices - B. J. Olohan, E. Petronijevic, Ufuk Kilic et al.

ACS NANO - DOI: 10.1021/acsnano.4c02006

Info

Emilija Petronijevic

Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria- Sapienza Università di Roma

emilija.petronijevic@uniroma1.it