I mestieri moderni - Così le nanoparticelle si organizzano da sole: lo studio di un team di ricercatori dell’Università di Genova

Prosegue oggi, e andrà avanti per tutti i martedì successivi, ‘I mestieri moderni’, un ciclo di servizi de ‘La Voce di Genova’ che vuole fornire uno spaccato del mondo del lavoro contemporaneo, anche un po’ in contrapposizione con l’altro nostro ciclo del mercoledì, ‘I mestieri di una volta’. Dove andrà il mondo dell’occupazione? Dove sta già andando? Quali sono le professioni più richieste? Quali i mestieri che letteralmente ci si inventa? Tra storie di successo, innovazione e idee vincenti, ci fa piacere raccontare come si trasforma l’occupazione e come si trasforma, di pari passo, anche la società. Buona lettura!

Uno studio per comprendere e prevedere il comportamento delle nanoparticelle nell'autoassemblaggio di strutture icosaedriche è stato portato a termine dai ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Genova. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, porta la firma di Nicolò Canestrari, Diana Nelli e Riccardo Ferrando del gruppo Nanobiocomp. Il team genovese ha studiato l'impacchettamento di atomi in aggregati compatti e ha proposto una teoria generale per la costruzione di strutture icosaedriche multicomponenti mediante l'assemblaggio di gusci concentrici di particelle, chirali e achirali.

Lo studio, in pratica, permette di capire come atomi e particelle si organizzano spontaneamente in configurazioni altamente simmetriche, il che ha implicazioni in diversi settori scientifici e industriali. A raccontare il lavoro svolto è proprio il professor Ferrando: "L'idea di base era capire come le particelle si dispongono spontaneamente in queste configurazioni altamente simmetriche. Abbiamo cercato di costruire un modello che ci permettesse di prevedere l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in queste strutture complesse. Il nostro obiettivo era sviluppare un quadro teorico che spiegasse non solo la formazione di questi aggregati, ma anche le condizioni in cui essi si stabilizzano".

Il problema dell'impacchettamento di sfere affascina matematici e fisici da secoli: già nel XVI secolo l'esploratore Sir Walter Raleigh si interrogava su come impilare in modo efficiente le palle di cannone nelle stive delle navi, un problema che ha portato nel tempo allo studio dei reticoli tridimensionali e alla formulazione della celebre congettura di Keplero sulla massima densità di impacchettamento di sfere uguali. Oggi, il problema si applica a contesti più complessi, includendo sfere di dimensioni diverse e impacchettamenti in spazi confinati o in strutture geometriche particolari, come l’icosaedro.

L'icosaedro è il solido platonico con la più alta simmetria e compattezza, caratteristiche vantaggiose in numerosi sistemi fisici e biologici, dalle nanoparticelle metalliche ai capsidi virali. Gli studiosi dell’Università di Genova hanno analizzato la disposizione di atomi in queste strutture e sviluppato un modello per prevedere l’autoassemblaggio di gusci icosaedrici multicomponenti. Attraverso simulazioni al computer, hanno dimostrato che la loro teoria consente di ottenere strutture autoassemblate con precise proporzioni tra le dimensioni delle particelle nei diversi strati.

"Uno degli aspetti più interessanti del nostro studio è che ci ha permesso di comprendere meglio il legame tra la geometria e le proprietà delle nanoparticelle - aggiunge Diana Nelli -. Abbiamo visto che alcune configurazioni emergono spontaneamente in base alle interazioni tra le particelle. Non si tratta solo di un problema di impacchettamento ottimale, ma anche di forze di interazione che guidano il sistema verso una configurazione preferenziale".

Ferrando prosegue: "Abbiamo esaminato come diverse combinazioni di materiali e dimensioni possano portare a strutture differenti. Ad esempio, a seconda del rapporto tra i raggi atomici e delle energie di interazione, possiamo ottenere icosaedri con distribuzioni specifiche degli elementi. Questo è fondamentale per la progettazione di materiali con proprietà controllate, come catalizzatori più efficienti o nanostrutture con risposte ottiche particolari".

Il loro approccio combina costruzioni geometriche ideali con calcoli computazionali avanzati. Inizialmente, il modello è stato sviluppato attraverso un ragionamento geometrico, simile a quello usato in matematica, con schemi e rappresentazioni su carta. Successivamente, le equazioni risultanti sono state elaborate attraverso simulazioni numeriche per verificare l’effettiva autoaggregazione delle particelle nei modelli previsti. 

"La simulazione è stata fondamentale per testare la nostra teoria", continua Nelli. "Abbiamo utilizzato tecniche di dinamica molecolare per osservare come le particelle si muovono e si organizzano nel tempo. I risultati hanno confermato che le nostre previsioni erano corrette, mostrando che la formazione delle strutture icosaedriche segue precise regole di autoassemblaggio".

Negli ultimi decenni, il progresso della fisica computazionale ha trasformato l’approccio a questi studi. Se negli anni ’90 calcoli di questa complessità avrebbero richiesto mesi di elaborazione, oggi la potenza di calcolo consente di ottenere risultati in poche ore, grazie anche allo sviluppo di nuovi algoritmi. "Questa evoluzione ha cambiato radicalmente il modo in cui affrontiamo problemi complessi", sottolinea Ferrando. "Ora possiamo testare molte più configurazioni in tempi molto più rapidi, il che ci permette di esplorare più a fondo il comportamento delle nanoparticelle. Inoltre, l'uso di tecniche basate sull'intelligenza artificiale ci permette di affinare ulteriormente i modelli predittivi".

L’utilizzo di metodi sempre più raffinati sta rivoluzionando il modo in cui vengono affrontati problemi complessi come l’autoassemblaggio di nanomateriali. Tuttavia, nonostante l’accelerazione tecnologica, il ruolo centrale dei ricercatori rimane quello di individuare problemi significativi e formulare teorie che possano essere testate con gli strumenti computazionali.

Lo studio del team dell’Università di Genova rappresenta un passo importante nella comprensione delle strutture icosaedriche multicomponenti e potrebbe avere implicazioni in settori che vanno dalla chimica alla biologia. La capacità di progettare nanoparticelle con specifiche configurazioni geometriche e proprietà potrebbe aprire nuove strade nella ricerca sui materiali avanzati e nella nanotecnologia applicata.

Lo studio è disponibile a questo link.