L'autoassemblaggio apre la strada ai materiali quantistici del futuro: ricerca UniPa su Nature Communications

Lo studio "Hierarchical self-assembly of atomically precise Au6 nanoclusters into fibrillar superstructures with collective optical properties", condotto dai gruppi di ricerca sperimentali PHOTO2N e LaBAM del Dipartimento di Fisica e Chimica "Emilio Segrè" (DiFC), è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications. La ricerca, svolta nei laboratori di fisica sperimentale del DiFC e presso ATeN Center, nasce da una consolidata collaborazione tra il Dipartimento e la Aalto University (Finlandia). «L'autoassemblaggio è uno dei principi più affascinanti della scienza dei materiali - spiega Pietro Castronovo, che ha appena terminato il suo percorso di Dottorato di Scienze Fisiche e Chimiche presso il DiFC, co-primo autore dell'articolo insieme a Ville Liljestrom, ricercatore dell’Università di Aalto - Si tratta di un processo attraverso il quale componenti nanometrici si organizzano spontaneamente in strutture ordinate, guidati da interazioni chimiche e fisiche. Il risultato non è una semplice somma delle proprietà dei singoli elementi: dall'organizzazione collettiva emergono proprietà completamente nuove, inesistenti nelle singole unità costitutive».

«È proprio questa dimensione collettiva a rendere l'autoassemblaggio uno strumento strategico per lo sviluppo dei materiali quantistici del futuro - aggiunge Alice Sciortino, componente del team UniPa che ha condotto la ricerca - In questi materiali le proprietà non dipendono solo dagli atomi o dalle singole nanoparticelle, ma soprattutto dalle interazioni tra di essi. Controllare queste interazioni significa poter progettare fenomeni inediti, con ricadute che spaziano dalla fotonica e dalle celle solari di nuova generazione ai sensori ultrasensibili, fino alle future tecnologie quantistiche».

«Il nostro studio dimostra che nanocluster d'oro formati da appena sei atomi possono autoassemblarsi in modo controllato grazie a semplici modifiche dell'ambiente chimico che li circonda - spiega Marco Cannas, tra gli autori del lavoro - Da questa organizzazione spontanea nascono sottili nastri e reti tridimensionali di nanofibre, nelle quali i cluster iniziano a comportarsi come un unico sistema. Il materiale conserva la capacità di emettere luce dei singoli nanocluster, ma acquisisce proprietà collettive completamente nuove. Tra queste, una risposta ottica non lineare capace di convertire luce infrarossa in luce visibile in modo molto efficiente, e la possibilità di trasportare energia e cariche elettriche su distanze insolitamente elevate».

«Un ruolo decisivo nello studio - sottolinea Fabrizio Messina, che ha coordinato il progetto insieme al Dr. Sourov Chandra della Aalto University - è stato svolto dalle tecniche avanzate di spettroscopia ottica, dalle misure in regime stazionario fino a quelle ultraveloci, capaci di seguire fenomeni su scale di tempo straordinariamente brevi (10⁻¹⁵ secondi). Le competenze sviluppate dal nostro gruppo negli ultimi dieci anni in questo campo hanno permesso di osservare in tempo reale il trasferimento di energia e di carica responsabile delle proprietà emergenti delle superstrutture».

«La prossima rivoluzione dei materiali potrebbe non nascere dalla scoperta di nuovi elementi, ma dalla capacità di far dialogare quelli che già conosciamo – concludono dal team di ricercatori - Quando cluster costituiti da pochi atomi iniziano a comportarsi come un unico sistema quantistico, emergono proprietà completamente nuove. Questo studio mostra che è possibile progettare tali comportamenti attraverso l'autoassemblaggio, aprendo la strada a una nuova generazione di materiali quantistici costruiti "dal basso" che potrebbero avere un impatto profondo sulla fotonica, sull'optoelettronica e, in futuro, sulle tecnologie quantistiche. In altre parole, il risultato non è soltanto un nuovo materiale, ma un nuovo modo di progettare la materia».