Un’inaspettata scoperta ha rivelato la formazione spontanea di centinaia di modelli regolari su un piccolo chip di germanio. Una semplice osservazione di minuscoli punti su un wafer di germanio con pellicole metalliche ha portato alla rivelazione di intricati motivi a spirale incisi da una reazione chimica. Esperimenti successivi hanno dimostrato che questi motivi emergono da reazioni chimiche che interagiscono con forze meccaniche attraverso un catalizzatore deformante.
Questa scoperta rappresenta il più significativo progresso nello studio della formazione di pattern chimici dagli anni ’50 e potrebbe gettare nuova luce su fenomeni naturali come la formazione di crepe nei materiali e l’influenza dello stress sulla crescita biologica.
Scoperti motivi a spirale inediti su chip di germanio
La svolta è avvenuta grazie alla studentessa di dottorato Yilin Wong della University of California di Los Angeles. Wong ha notato la comparsa di minuscoli punti su uno dei suoi campioni, lasciato accidentalmente fuori durante la notte. Il campione era costituito da un wafer di germanio rivestito da pellicole metalliche evaporate e a contatto con una goccia d’acqua.
Spinta dalla curiosità , Wong ha approfondito l’indagine e ha scoperto qualcosa di inedito: centinaia di motivi a spirale quasi identici formatisi spontaneamente su un chip di germanio di un centimetro quadrato. Ancora più sorprendente, piccole variazioni nei parametri sperimentali, come lo spessore della pellicola metallica, generavano motivi diversi, tra cui spirali di Archimede, spirali logaritmiche, forme simili a fiori di loto e strutture a simmetria radiale.
Dal caso alla rivoluzione: la storia delle spirali di germanio
La scoperta, pubblicata su Physical Review Materials, è avvenuta per caso, quando Wong ha commesso un piccolo errore mentre cercava di legare il DNA alla pellicola metallica: “
“Stavo cercando di sviluppare una tecnica di misurazione per categorizzare le biomolecole su una superficie attraverso la rottura e la riformazione dei legami chimici. Fissare le molecole di DNA su un substrato solido è una pratica comune. Probabilmente nessuno prima di me ha mai pensato di osservare l’errore al microscopio”.
Per comprendere il meccanismo alla base della formazione dei pattern, Wong e il coautore Giovanni Zocchi, professore di fisica alla UCLA, hanno condotto un’analisi dettagliata. Il loro esperimento prevedeva l’evaporazione di uno strato di cromo spesso 10 nanometri sulla superficie di un wafer di germanio, seguito da uno strato di oro di 4 nanometri. Successivamente, i ricercatori hanno applicato una goccia di soluzione di incisione delicata sulla superficie, lasciandola asciugare durante la notte. Il giorno successivo, hanno lavato il campione e lo hanno reincubato con la stessa soluzione in una camera umida per impedire l’evaporazione. Zocchi ha spiegato:
“Il sistema forma essenzialmente un condensatore elettrolitico. Nell’arco di 24-48 ore, una reazione chimica catalizzata dalla pellicola metallica ha inciso straordinari motivi sulla superficie del germanio. L’analisi del processo ha rivelato che i film di cromo e oro erano sottoposti a stress e si erano delaminati dal germanio mentre la reazione catalitica progrediva. Lo stress risultante ha causato la formazione di grinze nella pellicola metallica che, sotto l’azione della catalisi, hanno inciso i sorprendenti motivi osservati.
“Lo spessore dello strato di metallo, lo stato iniziale di stress meccanico del campione e la composizione della soluzione di incisione influenzano tutti la tipologia di pattern che si sviluppa”.
La coppia inattesa che crea pattern perfetti
Uno degli aspetti più affascinanti di questa ricerca è che i pattern osservati non sono dovuti esclusivamente a reazioni chimiche, ma sono influenzati dallo stress residuo nella pellicola metallica. La ricerca suggerisce che la tensione o la compressione preesistente del metallo ha determinato le forme emergenti. Due processi, uno chimico e uno meccanico, hanno dunque lavorato in sinergia per generare questi pattern.
Questo tipo di interazione tra deformazioni di un’interfaccia guidate dalla catalisi e reazioni chimiche sottostanti è raro negli esperimenti di laboratorio, ma comune in natura. Gli enzimi catalizzano la crescita biologica, provocando la deformazione di cellule e tessuti. Questa instabilità meccanica è responsabile delle forme assunte dai tessuti, alcune delle quali assomigliano ai motivi osservati negli esperimenti di Wong.
Zocchi ha dichiarato:
“Nel mondo biologico, questo tipo di interazione è onnipresente. Non ci pensiamo spesso negli esperimenti di laboratorio, perché la maggior parte degli studi sulla formazione di pattern vengono condotti in fase liquida. Questa scoperta è entusiasmante perché ci fornisce un sistema di laboratorio non vivente per studiare questa interazione e il suo straordinario potenziale nella generazione di pattern”.
Un nuovo capitolo nella ricercaÂ
Lo studio della formazione di pattern nelle reazioni chimiche ebbe inizio nel 1951, quando il chimico sovietico Boris Belousov scoprì accidentalmente un sistema chimico capace di oscillare spontaneamente nel tempo, inaugurando i campi della formazione di pattern chimici e della termodinamica di non equilibrio.
Nello stesso periodo, il matematico britannico Alan Turing teorizzò che i sistemi chimici, oggi noti come “sistemi di reazione-diffusione”, potevano spontaneamente generare pattern spaziali come strisce o pois. Le dinamiche di reazione-diffusione osservate negli esperimenti di Wong rispecchiano le previsioni teoriche di Turing.
Sebbene la ricerca sulla formazione di pattern chimici abbia vissuto un periodo di intensa attenzione negli anni ’80 e ’90, fino ad oggi i sistemi sperimentali utilizzati erano ancora varianti di quelli introdotti negli anni ’50. Il sistema sviluppato da Wong e Zocchi rappresenta un avanzamento significativo nel campo dello studio sperimentale della formazione di pattern chimici.
Fonte: Physical Review Materials
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