(Phys.org):por primera vez, Los investigadores han simulado partículas que pueden autoensamblarse espontáneamente en redes que forman arreglos geométricos llamados mosaicos de Arquímedes. La clave para realizar estas estructuras es una estrategia llamada diseño positivo mínimo, en el que se tiene en cuenta tanto la geometría como la selectividad química de las partículas. El proceso tiene aplicaciones en el autoensamblaje molecular, que algún día podría usarse para construir una variedad de tecnologías a nanoescala.

Stephen Whitelam, investigador de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ha publicado un artículo sobre la estrategia de diseño positivo mínimo para el autoensamblaje de los azulejos de Arquímedes en un número reciente de Cartas de revisión física .

Previamente, Los investigadores han autoensamblado con éxito partículas en teselaciones platónicas, que son arreglos más simples que consisten en arreglos periódicos regulares de una sola forma, como cuadrados, triangulos, o hexágonos. Para hacer esto, los investigadores utilizan una estrategia llamada diseño positivo, en el que se promueve la estructura deseada en función de la geometría de las partículas. Cuando las partículas se combinan y enfrían, se autoensamblan espontáneamente en teselaciones platónicas debido a una variedad de químicos subyacentes, físico, e interacciones termodinámicas.

Partículas autoensambladas en la siguiente disposición más simple, Teselas de Arquímedes, es mucho más difícil. Los mosaicos de Arquímedes se componen de dos o tres formas diferentes, y solo un tipo de vértice (por lo que si amplió los puntos de intersección, todos tendrían el mismo aspecto, teniendo los mismos ángulos en el mismo orden). Hay ocho tipos de teselaciones de Arquímedes, y la nueva estrategia de diseño puede construir los ocho.

El aspecto novedoso de la nueva estrategia de diseño es el elemento "mínimo", que se refiere a la selectividad química. Whitelam descubrió que si identifica todas las interacciones entre partículas involucradas en una disposición deseada, y luego seleccione partículas con solo esas interacciones y no otras, luego, bajo un simple protocolo de enfriamiento, las partículas se autoensamblarán en la estructura deseada. El aspecto "positivo" de la estrategia es que funciona promoviendo la estructura deseada, y no requiere la supresión de todas las posibles estructuras no deseadas.

Las simulaciones también mostraron que, si no se tiene en cuenta la selectividad química, entonces las partículas no se autoensamblan en las teselaciones de Arquímedes, mostrando que la selectividad química es fundamental para realizar estas estructuras.

"Los resultados muestran que se necesita 'especificidad química' de las interacciones para autoensamblar ciertas interacciones simples, estructuras regulares, "Whitelam dijo Phys.org . "Quería escribir un artículo sobre la cantidad de 'información' que necesitas 'programar' en una partícula para permitir que se autoensamble, en presencia de muchas copias de sí mismo, en una estructura deseada.

"La forma más sencilla de crear mosaicos en un avión es cubrirlo con triángulos, o con cuadrados, o con hexágonos. Estos patrones se denominan teselaciones platónicas o de Arquímedes regulares. Otros autores han demostrado que las partículas con ciertas propiedades geométricas, con parches pegajosos en ciertos ángulos, pueden formar espontáneamente las redes que son equivalentes a estos mosaicos. lo que significa que si dibuja líneas entre los centros de partículas, entonces la imagen que obtiene parece un mosaico.

"La siguiente forma más sencilla de cubrir una superficie es con combinaciones de dos o tres polígonos regulares, y estos patrones se denominan mosaicos de Arquímedes semi-regulares (a menudo simplemente mosaicos de Arquímedes). Otros investigadores han utilizado simulaciones para mostrar que las partículas con la geometría correcta por sí solas probablemente no pueden autoensamblarse en tales estructuras. Mi trabajo confirma este hecho, pero muestra que lo que funciona es si las interacciones de las partículas son químicamente específicas, lo que significa que los parches adhesivos solo se adhieren a algunos otros parches adhesivos. De este modo, las partículas evitan cometer muchos errores de unión, y lograr encontrar el camino hacia la estructura correcta ".

Curiosamente, La selectividad química también se utiliza para controlar las interacciones entre partículas entre partículas biológicas, como proteínas y ADN.

"Un aspecto de este resultado ya es ampliamente conocido:los investigadores que utilizan la nanotecnología del ADN utilizan habitualmente interacciones químicamente específicas mediadas por el ADN para hacer estructuras tan complejas o más complejas que las teselaciones de Arquímedes, "Whitelam dijo." Lo que me sorprendió es 1) que se necesita esta estrategia incluso para las teselaciones de Arquímedes (entre las estructuras regulares más simples), y 2) que todo lo que necesita es esta estrategia (es decir, la especificidad química es 'necesaria y suficiente'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

En el futuro, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

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