07 marzo 2014

Un nuova classe di quasicristalli

Un gruppo di ricerca statunitense ha scoperto un nuovo membro della famiglia di questi materiali in cui gli atomi si dispongono in un modo che non si può definire ordinato ma nemmeno disordinato. Il nuovo tipo di quasicristalli è stato ottenuto da molecole di acido carbossilico di ferrocene che si aggregano in modo spontaneo a formare strutture bidimensionali(red)

È una classe nuova di struttura chimica quella descritta su “Nature” da Natalie Wasio e colleghi dell'Università di Notre Dame, nell'Indiana: si tratta infatti del primo caso di un quasicristallo, scoperto per caso, che si autoassembla a partire da molecole di acido carbossilico del ferrocene. Il metodo usato, sottolinenano gli autori, potrebbe portare alla sintesi di numerosi altri quasicristalli, anche se allo stato attuale delle conoscenze non è possibile prevedere se possano avere un'utilità pratica.

I cristalli sono caratterizzati da una struttura molecolare a reticolo, secondo uno schema periodico, cioè con una cella geometrica di base che che si ripete sempre uguale, indefinitamente, in modo simile per esempio alle celle esagonali di un alveare. Come i cristalli, i quasicristalli sono caratterizzati da una struttura microscopica altamente ordinata, in cui però la ripetizione dello schema molecolare dei reticoli non è così precisa come nei cristalli, ma non si può dire nemmeno disordinata, e viene detta quindi quasiperiodica. 

Un nuova classe di quasicristalli
Esempio di struttura quasicristallina bidimensionale: si distinguono, oltre ai pentagoni, le caratteristiche forme a rombo (in bianco) a stella (in giallo) e a "barchetta" (in verde chiaro) (Cortesia Alex Kandel)
I quasicristalli sono stati scoperti, anche qui per caso, nel 1984 dal fisico israeliano naturalizzato statunitense Dan Shechtman, che per quella scoperta nel 2011 ha ricevuto il premio Nobel per la chimica. Da allora nei laboratori di tutto il mondo sono stati ottenuti centinaia di diversi tipi di quasicristalli ottenuti da differenti composti, la maggio parte dei quali sono leghe di due o tre metalli. Lo studio di queste strutture molecolari ha aperto interessanti prospettive di ricerca in chimica, in particolare per l'analisi dei legami tra gli atomi le che compongono, ma anche in fisica, per gli inusuali fenomeni di diffrazione della luce che esse producono e infine in matematica, per le simmetrie geometriche che le caratterizzano.

In questo nuovo studio,
Wasio e colleghi hanno osservato monostrati di acido carbossilico del ferrocene. Nelle condizioni sperimentali progettate dai ricercatori, l'acido forma pentameri ciclici, cioè strutture pentagonali con una molecola di acido in ogni vertice, e dimeri, formati da coppie delle stesse molecole di acido. La formazione dei pentameri è estremamente insolita, sottolineano gli autori, perché questo acido di solito forma solo dimeri, o comunque strutture lineari. Insieme, pentameri e dimeri si autoassemblano a formare quasicristalli bidimensionali, in cui si possono distinguere gli schemi a rombo, a stella e a "barchetta".

Un'altra particolarità del nuovo composto è che le diverse molecole di acido carbossilico del ferrocene si legano tra loro con legami a idrogeno, tipici delle moleocole organiche che formano strutture complesse, invece dei legami ionici che caratterizzano altri quasicristalli. Il nuovo composto è dunque il primo rappresentante di una nuova classe di quasicristalli.