da Hardware Upgrade :
Tre anni fa, alcuni ricercatori dell’Università di Dresda (Germania) hanno avuto un’intuizione: studiare le architetture minerali nanostrutturate delle alghe e provare a replicarle, creando nuovi materiali.
Precisamente, il team ha studiato alcune specie di alghe unicellulari, precisamente la Leonella granifera, in grado di produrre pareti cellulari mineralizzate nanostrutturate altamente regolari e ha tentato di convertire i loro gusci minerali in nanostrutture di perovskite monocristalline nanoporose ad alogenuro di piombo.
Lo studio, INSPIRED BY NATURE: UNICELLULAR ALGAE TURN INTO NOVEL NANOMATERIALS ha dato il via al progetto di ricerca DinoLight, guidato dai team del B CUBE – Centro di Bioingegneria Molecolare e della Facoltà di Chimica e Chimica degli Alimenti.
“La natura fornisce bellissime architetture minerali nanostrutturate. Queste includono alcune specie di alghe unicellulari, che producono pareti cellulari mineralizzate nanostrutturate altamente regolari che sono ottimi modelli per noi”, ha affermato la dott.ssa Anne Jantschke, esperta di coltivazione e caratterizzazione di microalghe.
“In questo progetto vogliamo convertire questi gusci minerali in nanostrutture di perovskite monocristalline nanoporose ad alogenuro di piombo altamente ordinate”, ha aggiunto il dott. Igor Zlotnikov, leader del gruppo di ricerca presso B CUBE.
Sebbene una varietà di organismi sia in grado di formare tali strutture da diversi minerali, in un primo momento non era chiaro se tali materiali nanostrutturati tridimensionali potessero essere ingegnerizzati e prodotti.
Le perovskiti ottenute sono state pertanto analizzate con metodi di caratterizzazione dei materiali all’avanguardia nel laboratorio del Dr. Zlotnikov e le loro proprietà ottiche valutate nel laboratorio del Prof. Michael Schlierf, leader del gruppo di ricerca e direttore di B CUBE.
Gli scienziati hanno successivamente indagato i nanomateriali convertiti, verificando se emettessero luce e le loro potenzialità nel campo delle celle solari, LED o laser.
L’ultimo tassello è arrivato un mese fa, con la pubblicazione dello studio Recruiting Unicellular Algae for the Mass Production of Nanostructured Perovskites, pubblicato sulla rivista Advanced Science.
Il paper ha illustrato come il team, partendo dal modello della parete cellulare dell’alga L. granifera, abbia trasformato la calcite biogenica in perovskiti nanostrutturate.
I ricercatori hanno ottenuto tre varianti di perovskiti agli alogenuri di piombo con lunghezze d’onda di picco di emissione che vanno dal blu, al verde, al vicino infrarosso.
L’approccio utilizzato potrà essere replicato per la produzione in serie di perovskiti nano-architettonici con le proprietà morfologiche, tessiturali e fisiche desiderate, sfruttando i numerosi modelli forniti da organismi unicellulari che formano calcite.
“La messa a punto delle proprietà delle perovskiti per varie applicazioni viene solitamente ottenuta attraverso il controllo compositivo e strutturale durante la preparazione delle perovskiti agli alogenuri di piombo. La forte relazione struttura-proprietà-funzione ha guidato enormi sforzi sintetici per produrre una varietà di nano- morfologie in scala, come bastoncini, cubi, sfere e materiali 2D che utilizzano diversi approcci di deposizione di vapori chimici e chimici a umido…”, si legge nella nota introduttiva dello studio “… Di conseguenza, sebbene ci si aspetti che le strutture nano-architettoniche forniscano prestazioni migliorate, attualmente, siamo ancora limitati nella nostra capacità di produrre assemblaggi di perovskite morfologicamente e strutturalmente complessi.”
Al contrario, i minerali formati da organismi viventi presentano forme notevolmente diverse dai minerali formati abioticamente.
Le caratteristiche delle unità minerali prodotte biologicamente comprendenti i vari tessuti mineralizzati, a tutte le scale – dalle proprietà del reticolo cristallino su scala atomica alla forma dell’intera unità su scala macroscopica – riflettono centinaia di milioni di anni di evoluzione in condizioni funzionali, ecologiche, e vincoli filogenetici.
Il carbonato di calcio biogenico (CaCO3), ad esempio, è modellato da vari organismi nelle forme nano-architettoniche più intricate, pur mantenendo la sua singola natura cristallina.
Influenzati dai materiali biologici funzionali, i campi della biomineralizzazione, della bioprospezione, della biomimetica e della bioispirazione sono diventati importanti discipline scientifiche.
La comunità scientifica sta cercando di comprendere i principi della formazione e della funzione dei biominerali sfruttando queste nuove discipline; tuttavia, la maggior parte di questi studi utilizza i prodotti naturali come sistema – modello, lasciando insfruttato il materiale biologico.
Ed è qui che questa ricerca ha preso un’altra strada.
Il team ha tentato di trasformare i gusci minerali naturali delle alghe L. granifera in perovskiti funzionali, sostituendo gli elementi chimici nella calcite.
A tal fine hanno adattato un metodo sviluppato dai loro collaboratori all’istituto AMOLF di Amsterdam.
Durante la trasformazione, gli scienziati sono stati in grado di produrre diversi tipi di architetture cristalline, alterando la composizione chimica del materiale.
Nello specifico, si è provato a convertire i gusci di calcite in alogenuri di piombo con iodio, bromuro o cloruro.
“Mostriamo per la prima volta che i minerali prodotti da organismi unicellulari possono essere trasformati in materiali funzionali tecnologicamente rilevanti. Invece di competere con la natura, possiamo sfruttare gli anni di adattamento evolutivo che hanno già attraversato”, ha affermato il dott. Zlotnikov .
Il team, nella nota conclusiva della ricerca, ha dichiarato:
“In questo lavoro, stabiliamo un percorso di produzione scalabile di sfere di perovskite nano-architettoniche con morfologie controllabili e, per estensione, le loro proprietà elettro-ottiche, utilizzando la materia biogenica come materiale di partenza. La coltivazione sostenibile di alghe calcitiche unicellulari con numerose altre morfologie, trame cristallografiche e intricate ultrastrutture su scala nano e meso, come coccolitofori e dinoflagellati, è ben sviluppata. Pertanto, l’approccio presentato può essere utilizzato per la produzione di massa di perovskiti nano-architettonici con caratteristiche fisiche desiderate ereditate dal vasto insieme di proprietà strutturali e strutturali fornite dalle alghe calcitiche unicellulari.”