El autoensamblaje es omnipresente en el mundo natural, sirviendo como una ruta para formar estructuras organizadas en cada organismo vivo. Este fenómeno se puede ver, por ejemplo, cuando dos hebras de ADN, sin ningún estímulo ni guía externos, se unen para formar una doble hélice, o cuando un gran número de moléculas se combinan para crear membranas u otras estructuras celulares vitales. Todo va al lugar que le corresponde sin que un constructor invisible tenga que juntar todas las piezas, uno a la vez.

Durante las últimas dos décadas, Los científicos e ingenieros han estado siguiendo el ejemplo de la naturaleza, diseñar moléculas que se ensamblan en el agua, con el objetivo de hacer nanoestructuras, principalmente para aplicaciones biomédicas como la administración de fármacos o la ingeniería de tejidos. "Estos materiales basados ​​en moléculas pequeñas tienden a degradarse con bastante rapidez, "explica Julia Ortony, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT, "y son químicamente inestables, también. Toda la estructura se desmorona cuando quitas el agua, particularmente cuando se aplica cualquier tipo de fuerza externa ".

Ella y su equipo, sin embargo, han diseñado una nueva clase de moléculas pequeñas que se ensamblan espontáneamente en nanocintas con una fuerza sin precedentes, conservando su estructura fuera del agua. Los resultados de este esfuerzo de varios años, que podría inspirar una amplia gama de aplicaciones, fueron descritos el 21 de enero en Nature Nanotechnology por Ortony y sus coautores.

"Este trabajo fundamental, que produjo propiedades mecánicas anómalas a través de un autoensamblaje altamente controlado, debería tener un gran impacto en el campo, "afirma el profesor Tazuko Aida, subdirector del Centro RIKEN de Ciencias de la Materia Emergente y profesor de química y biotecnología en la Universidad de Tokio, que no participó en la investigación.

El material que construyó el grupo del MIT, o más bien, se le permite construirse a sí mismo — se modela a partir de una membrana celular. Su parte exterior es "hidrofílica, "lo que significa que le gusta estar en el agua, mientras que su parte interior es "hidrofóbica, ", lo que significa que intenta evitar el agua. Esta configuración, Ortony comenta, "proporciona una fuerza impulsora para el autoensamblaje, "a medida que las moléculas se orientan para minimizar las interacciones entre las regiones hidrófobas y el agua, consecuentemente tomando una forma a nanoescala.

La forma, en este caso, es conferido por el agua, y normalmente toda la estructura colapsaría cuando se secara. Pero Ortony y sus colegas idearon un plan para evitar que eso sucediera. Cuando las moléculas están débilmente unidas, se mueven rápidamente, análogo a un fluido; a medida que aumenta la fuerza de las fuerzas intermoleculares, el movimiento se ralentiza y las moléculas adoptan un estado sólido. La idea, Ortony explica, "es ralentizar el movimiento molecular mediante pequeñas modificaciones en las moléculas individuales, que puede llevar a un colectivo, y con suerte dramático, cambio en las propiedades de la nanoestructura ".

Una forma de ralentizar las moléculas, señala Ty Christoff-Tempesta, un doctorado estudiante y primer autor del artículo, "es hacer que se aferren entre sí con más fuerza que en los sistemas biológicos". Eso se puede lograr cuando una densa red de fuertes enlaces de hidrógeno une las moléculas. "Eso es lo que le da a un material como el Kevlar, construido con las llamadas 'aramidas', su estabilidad química y resistencia, "afirma Christoff-Tempesta.

El equipo de Ortony incorporó esa capacidad en el diseño de una molécula que tiene tres componentes principales:una parte externa a la que le gusta interactuar con el agua, aramidas en el medio para atar, y una parte interior que tiene una fuerte aversión al agua. Los investigadores probaron docenas de moléculas que cumplían con estos criterios antes de encontrar el diseño que dio lugar a cintas largas con un grosor de escala nanométrica. Luego, los autores midieron la resistencia y rigidez de las nanocintas para comprender el impacto de incluir interacciones similares al Kevlar entre moléculas. Descubrieron que las nanocintas eran inesperadamente resistentes, más fuertes que el acero, De hecho.

Este hallazgo llevó a los autores a preguntarse si las nanocintas podrían agruparse para producir materiales macroscópicos estables. El grupo de Ortony ideó una estrategia mediante la cual las nanocintas alineadas se tiraban en hilos largos que podían secarse y manipularse. Notablemente, El equipo de Ortony demostró que los hilos podían contener 200 veces su propio peso y tener áreas de superficie extraordinariamente altas:200 metros cuadrados por gramo de material. "Esta alta relación superficie-masa ofrece una promesa para las tecnologías de miniaturización al realizar más química con menos material, "explica Christoff-Tempesta. Con este fin, ya han desarrollado nanocintas cuyas superficies están recubiertas con moléculas que pueden arrastrar metales pesados, como plomo o arsénico, fuera del agua contaminada. Otros esfuerzos del grupo de investigación están dirigidos al uso de nanocintas agrupadas en dispositivos electrónicos y baterías.

Ortony, por su parte, todavía está sorprendido de que hayan podido lograr su objetivo de investigación original de "ajustar el estado interno de la materia para crear nanoestructuras moleculares excepcionalmente fuertes". Las cosas fácilmente podrían haber ido al revés; estos materiales podrían haber resultado desorganizados, o sus estructuras frágiles, como sus predecesores, solo aguantando. Pero, ella dice, "Estábamos emocionados de ver que nuestras modificaciones a la estructura molecular fueron amplificadas por el comportamiento colectivo de las moléculas, creando nanoestructuras con propiedades mecánicas extremadamente robustas. El siguiente paso, descubrir las aplicaciones más importantes, será emocionante ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.