> FocusUnimore > numero 53 – dicembre 2024
An international team of researchers, led by Prof. Luca Catalano from the University of Modena and Reggio Emilia (Unimore), has developed an innovative strategy to control polymorphic transitions in organic crystals, addressing one of the main challenges in material science. The research, involving 19 institutions across 9 countries, explored how 13 new organic crystals can respond to external stimuli, such as heat, through molecular movements that lead to controlled physical changes. The results, published in the Journal of the American Chemical Society, open new possibilities for designing advanced materials for applications in electronics, sensors, actuators, and soft robotics, highlighting the importance of interdisciplinary collaboration.
Un team di ricercatori internazionali ha sviluppato una nuova strategia per il controllo delle transizioni polimorfiche nei cristalli organici.
Questo studio, coordinato dal Prof. Luca Catalano del Dipartimento di Scienze della Vita di Unimore, è frutto di una grande collaborazione tra 19 istituzioni di eccellenza (come NYU, Princeton University, Yale University, Imperial College London, Weizmann Insitute of Science) in 9 paesi (Italia, Belgio, Cina, Emirati Arabi Uniti, India, Isreale, Macedonia del Nord, UK, USA).
La ricerca apre nuove prospettive per la progettazione di materiali avanzati con applicazioni che spaziano dall’elettronica organica ai sensori intelligenti.
Il polimorfismo, ovvero la capacità di un materiale di esistere in più forme cristalline, è una delle sfide più complesse nel campo della scienza dei materiali.
La possibilità di controllare in modo preciso le transizioni tra diverse forme cristalline è fondamentale per ottimizzare le proprietà funzionali dei materiali stessi che trovano applicazione in una vasta gamma di settori, dalla farmaceutica all’elettronica avanzata. Tuttavia, le transizioni polimorfiche spesso avvengono in modo imprevedibile e incontrollato, limitando le potenzialità dei materiali cristallini organici.
In questo contesto, la ricerca si è concentrata su 13 nuovi tipi di cristalli organici, progettati per rispondere a stimoli esterni, nello specifico il calore, attraverso specifici movimenti molecolari poi traslati in una risposta dinamica dei materiali stessi, come per esempio salti e cambiamenti di forma.
Il team ha sfruttato tecniche all’avanguardia, tra cui la microscopia ottica polarizzata, caratterizzazioni termiche, strutturali e spettroscopiche, oltre a tecniche avanzate di simulazione, per monitorare e analizzare le transizioni di fase. È stato dimostrato che tali transizioni avvengono in modo cooperativo, ovvero senza alterare l’integrità della struttura cristallina. Questa scoperta è cruciale poiché permette di mantenere integre le strutture dei materiali, prima, dopo e durante i cambiamenti di fase.
La metodologia innovativa sviluppata dai ricercatori apre nuove frontiere nell’ingegneria dei materiali intelligenti. Grazie alla capacità di modulare dinamiche molecolari, è possibile progettare cristalli in grado di rispondere a stimoli ambientali modificando le proprie caratteristiche fisiche. Questi materiali possono, ad esempio, cambiare forma, colore o conducibilità elettrica a seconda delle esigenze, rendendoli ideali per applicazioni avanzate come attuatori meccanici, display interattivi, sensori ambientali e persino tessuti intelligenti.
“La nostra ricerca mostra come i materiali cristallini, tradizionalmente considerati fragili e inerti, possano essere estremamente dinamici e flessibili. Proprio controllando le dinamiche sia molecolari che macroscopiche si possono progettare materiali con proprietà meccaniche, ottiche, elettriche, etc. su richiesta – afferma il Prof. Luca Catalano – Questa innovativa strategia ci permette di creare materiali che non solo rispondono a cambiamenti ambientali, ma che possono anche essere programmati per eseguire funzioni specifiche. Immaginate un sensore che cambia colore in presenza di determinati gas, o un circuito elettronico che si adatta automaticamente alle variazioni di temperatura.“
Un aspetto particolarmente interessante di questo lavoro è la possibilità di generalizzare la strategia sviluppata a una vasta gamma di composti organici. Questo significa che le future applicazioni potrebbero includere non solo l’elettronica flessibile e i sensori, ma anche campi emergenti come la robotica soft, dove materiali che cambiano forma possono migliorare significativamente le prestazioni di attuatori.
I risultati di questo studio, pubblicati sull’autorevole rivista Journal of the American Chemical Society, rappresentano un passo avanti significativo nella comprensione e nel controllo del polimorfismo nei cristalli organici.
L’articolo è disponile Open Access, quindi liberamente e senza alcuna restrizione.
“Questa collaborazione internazionale – conclude il Prof. Catalano – non solo dimostra il potenziale della scienza dei materiali nel risolvere sfide tecnologiche di rilevanza globale, ma mette anche in evidenza l’importanza di un approccio interdisciplinare e multidisciplinare. Il successo di questo progetto evidenzia come la sinergia tra competenze diverse possa portare a sviluppi rivoluzionari nel campo della scienza dei materiali, con ricadute significative in termini di innovazione e competitività industriale”.