Le proprietà chimiche inducono un materiale a formare schemi di tassellatura non ripetuti
Questo materiale forma schemi irregolari in cui le molecole all’interno di un triangolo sono ruotate di 60 gradi rispetto a quelle nei triangoli adiacenti. Ciò risulta in schemi triangolari non ripetuti.
Per secoli, matematici e designer di pavimenti sono stati affascinati dalle forme che possono tassellare un piano, in particolare quelle che lo fanno senza ripetizione. Ora, un team di chimici ha descritto una molecola che si assembla naturalmente in questi schemi irregolari, ponendo le basi per l’ingegneria di materiali che si comportano diversamente dai solidi regolari.
“Quando queste cose sembrano sorgere spontaneamente in natura, penso che sia assolutamente affascinante,” dice Craig Kaplan, matematico e informatico dell’Università di Waterloo in Canada, che non è stato coinvolto nello studio. “Sembra di aver trovato un glitch nella matrice.”
Nel 2018, il chimico Karl-Heinz Ernst e colleghi stavano spruzzando una molecola speciale di idrocarburo su un substrato d’argento e osservandola formare schemi attraverso un microscopio. “Abbiamo visto qualcosa di piuttosto sorprendente e incredibile,” dice Ernst, dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali a Dübendorf. Le molecole depositate formavano spirali a tre braccia, che si raggruppavano in triangoli di dimensioni leggermente diverse. In ciascuno dei circa 100 esperimenti, i ricercatori hanno trovato nuove sequenze triangolari che sembravano non ripetersi mai. Hanno conservato queste immagini per anni cercando di dar loro un senso.
Poi, nel 2023, Kaplan e collaboratori hanno stupito il mondo della matematica quando hanno trovato la sfuggente tessera di Einstein, una singola forma che può riempire un piano solo con un motivo mai ripetuto, il che significa che è aperiodica. La scoperta matematica ha aiutato Ernst e colleghi a mettere insieme i pezzi: sembrava che avessero scoperto una sorta di Einstein molecolare.
Kaplan avverte che i modelli in questo materiale non sono aperiodici nello stesso senso della tessera di Einstein. I pezzi non si incastrano precisamente, ed è improbabile, se non impossibile, che possano tassellare solo con schemi non ripetuti. Ma anche senza raggiungere una vera aperiodicità, il nuovo patterning potrebbe essere sufficiente a conferire al materiale alcune proprietà apparentemente magiche, dice Kaplan.
I fisici sanno da decenni che gli elettroni si comportano diversamente nei quasicristalli, materiali la cui struttura atomica mostra un certo ordine su larga scala ma manca di schemi ripetuti. L’anno scorso, il fisico Felix Flicker dell’Università di Bristol in Inghilterra ha aiutato a costruire una simulazione al computer di un quasicristallo basato sulla tessera di Einstein di Kaplan, che ha previsto che si comporterebbe come un foglio di grafene potenziato.
Come si formano i quasicristalli in natura rimane un grande mistero, dice Flicker. Le spirali cresciute da Ernst potrebbero fornire alcuni indizi.
La chiave del comportamento irregolare di questa molecola, riportata a gennaio 2025 in Nature Communications, potrebbe essere l’entropia delle sue costellazioni.
L’entropia è una misura di quanto è disordinato un materiale, o alternativamente, quanto è statisticamente probabile il suo arrangiamento atomico. La molecola ha due trucchi che la rendono anormalmente versatile: può facilmente convertire tra due forme speculari distinte e forma legami intermolecolari molto deboli, permettendole di passare tra configurazioni su larga scala relativamente facilmente. Queste due proprietà insieme significano che ci sono molti modi possibili per le molecole di disporsi senza ripetersi, dice Ernst. Le molecole quindi si raggruppano in schemi non ripetuti ad alta entropia, ordinandosi nel modo più disordinato possibile.
Flicker dice che il nuovo studio fornisce “un bellissimo esempio di questa teoria dell’ordine per disordine” della formazione dei quasicristalli. Comprendere i principi generali dell’ordinamento irregolare potrebbe indirizzare gli scienziati verso modi migliori per ingegnerizzare quasicristalli su richiesta. Flicker crede che scoprire nuovi schemi che si trovano tra la regolarità e la casualità porterà a connessioni entusiasmanti in luoghi inaspettati.
Ernst è umiliato dal fatto che le molecole abbiano trovato questi schemi da sole. “Questa è la natura che fa matematica,” dice.