Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado un enfoque general para combinar diferentes tipos de nanopartículas para producir materiales compuestos a gran escala. La técnica, descrito en un artículo publicado en línea por Nanotecnología de la naturaleza el 20 de octubre 2013, abre muchas oportunidades para mezclar y combinar partículas con diferentes magnéticos, óptico, o propiedades químicas para formar nuevos, materiales multifuncionales o materiales con rendimiento mejorado para una amplia gama de aplicaciones potenciales.

El enfoque aprovecha el atractivo emparejamiento de hebras complementarias de ADN sintético basado en la molécula que lleva el código genético en su secuencia de bases emparejadas conocidas por las letras A, T, GRAMO, y C. Después de recubrir las nanopartículas con una "plataforma de construcción" químicamente estandarizada y agregar moléculas extensoras a las que el ADN se puede unir fácilmente, los científicos unen hebras de ADN complementarias diseñadas en laboratorio a los dos tipos diferentes de nanopartículas que quieren vincular. El emparejamiento natural de las hebras coincidentes "autoensambla" las partículas en una matriz tridimensional que consta de miles de millones de partículas. Variando la longitud de los conectores de ADN, su densidad superficial en partículas, y otros factores dan a los científicos la capacidad de controlar y optimizar diferentes tipos de materiales recién formados y sus propiedades.

"Nuestro estudio demuestra que los métodos de ensamblaje impulsados ​​por el ADN permiten la creación por diseño de nanocompuestos de 'superrejilla' a gran escala a partir de una amplia gama de nanocomponentes ahora disponibles, incluidos los magnéticos, catalítico, y nanopartículas fluorescentes, "dijo el físico de Brookhaven Oleg Gang, quien dirigió la investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio. "Este avance se basa en nuestro trabajo anterior con sistemas más simples, donde demostramos que emparejar nanopartículas con diferentes funciones puede afectar el rendimiento de las partículas individuales, y ofrece rutas para la fabricación de nuevos materiales con combinación, mejorado, o incluso funciones completamente nuevas ".

Las aplicaciones futuras podrían incluir puntos cuánticos cuya fluorescencia brillante se puede controlar mediante un campo magnético externo para nuevos tipos de interruptores o sensores; nanopartículas de oro que mejoran sinérgicamente el brillo del brillo fluorescente de los puntos cuánticos; o nanomateriales catalíticos que absorben los "venenos" que normalmente degradan su rendimiento, Dijo Gang.

"Los métodos modernos de nano-síntesis proporcionan a los científicos diversos tipos de nanopartículas de una amplia gama de elementos atómicos, "dijo Yugang Zhang, primer autor del artículo. "Con nuestro enfoque, los científicos pueden explorar los emparejamientos de estas partículas de una manera racional ".

Emparejar partículas diferentes presenta muchos desafíos que los científicos investigaron en el trabajo que condujo a este artículo. Para comprender los aspectos fundamentales de varios materiales recién formados, utilizaron una amplia gama de técnicas, incluyendo estudios de dispersión de rayos X en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS) y espectroscopia y microcopia electrónica en el CFN.

Por ejemplo, los científicos exploraron el efecto de la forma de las partículas. "En principio, las partículas de diferentes formas no quieren coexistir en una red, ", dijo Gang." O tienden a separarse en diferentes fases como el aceite y el agua que se niegan a mezclarse o forman estructuras desordenadas ". Los científicos descubrieron que el ADN no solo ayuda a que las partículas se mezclen, pero también puede mejorar el orden de dichos sistemas cuando se utiliza una capa de ADN más gruesa alrededor de las partículas.

También investigaron cómo el mecanismo de emparejamiento del ADN y otras fuerzas físicas intrínsecas, como la atracción magnética entre partículas, podría competir durante el proceso de montaje. Por ejemplo, Las partículas magnéticas tienden a agruparse para formar agregados que pueden dificultar la unión del ADN de otro tipo de partículas. "Demostramos que las hebras de ADN más cortas son más efectivas para competir contra la atracción magnética, "Dijo Gang.

Para el compuesto particular de oro y nanopartículas magnéticas que crearon, los científicos descubrieron que la aplicación de un campo magnético externo podría "cambiar" la fase del material y afectar el orden de las partículas. "Esto fue solo una demostración de que se puede hacer, pero podría tener una aplicación, tal vez interruptores magnéticos, o materiales que podrían cambiar de forma a pedido, "dijo Zhang.

El tercer factor fundamental que exploraron los científicos fue cómo se ordenaron las partículas en las matrices de superrejilla:¿un tipo de partícula siempre ocupa la misma posición en relación con el otro tipo, como niños y niñas sentados en asientos alternos en una sala de cine? intercalados de forma más aleatoria? "Esto es lo que llamamos un orden de composición, que es importante, por ejemplo, para los puntos cuánticos porque sus propiedades ópticas, por ejemplo, su capacidad para brillar depende de cuántas nanopartículas de oro haya en el entorno circundante, ", dijo Gang." Si tiene un trastorno de composición, las propiedades ópticas serían diferentes ". En los experimentos, el aumento del grosor de las capas blandas de ADN alrededor de las partículas aumentó el desorden de la composición.

Estos principios fundamentales brindan a los científicos un marco para diseñar nuevos materiales. Las condiciones específicas requeridas para una aplicación particular dependerán de las partículas que se utilicen, Zhang enfatizó, pero el enfoque de la asamblea general sería el mismo.

Dijo Gang, "Podemos variar las longitudes de las cadenas de ADN para cambiar la distancia entre las partículas de unos 10 nanómetros a menos de 100 nanómetros, lo cual es importante para las aplicaciones porque muchas ópticas, magnético, y otras propiedades de las nanopartículas dependen del posicionamiento a esta escala. Estamos entusiasmados con las avenidas que abre esta investigación en términos de direcciones futuras para la ingeniería de clases novedosas de materiales que explotan los efectos colectivos y la multifuncionalidad ".