La naturaleza proporciona innumerables ejemplos de materiales y estructuras únicos desarrollados para aplicaciones o adaptaciones especializadas. Un grupo interdisciplinario de investigadores del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Está tratando de descubrir los secretos que usan los organismos para construir estructuras tan complejas, de modo que la energía pueda usarse para crear materiales que no se encuentran en la naturaleza y que no pueden ser sintetizados por medios convencionales.

"La naturaleza tiene muchos ejemplos de estas estructuras jerárquicas y generalmente son materiales compuestos orgánicos-inorgánicos, "dijo Surya Mallapragada, Científica del Laboratorio Ames y Cátedra Carol Vohs Johnson de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Estatal de Iowa. "Un esqueleto de esponja de mar de vidrio es un ejemplo perfecto de estas estructuras que están modeladas por la fase orgánica. Tienes nanocristales inorgánicos que se forman y es un proceso de ensamblaje de múltiples escalas, que en la mayoría de los casos ocurre a temperaturas y condiciones suaves, como el pH ".

"Así que buscamos inspiración en la naturaleza y como fuente de biomoléculas para ver cómo podemos recrear algunos de esos procesos que crean estos maravillosos materiales con ensamblajes jerárquicos o estructura uniforme". ", dijo sobre la investigación que está financiada por el Programa de Materiales Biomoleculares DOE-BES.

Hasta aquí, El equipo de Mallapragada ha podido replicar la creación de magnetita mediante el estudio de bacterias magnetotácticas. Estas bacterias forman nanocristales magnéticos o cadenas de nanocristales que utilizan para orientarse con el campo magnético de la Tierra. Usando plantillas de polímeros autoensamblables y proteínas de las bacterias, los investigadores pudieron cultivar cristales de magnetita.

"Hemos utilizado este enfoque con éxito para cultivar nanocristales de magnetita, "Mallapragada dijo, "pero hemos ido más allá de eso, utilizando estas técnicas para crear ferrita de cobalto y otros nanocristales magnéticos que no se encuentran en la naturaleza. Ese es un gran ejemplo de síntesis con plantilla ".

El grupo también ha trabajado con fosfato de calcio para tratar de imitar la fuerza liviana que se encuentra en los huesos.

"En algunos casos, necesitamos crear análogos sintéticos que puedan hacer el mismo trabajo, pero son más robustos, "Mallapragada dijo." En muchos casos, las biomoléculas no son tan robustas. Las proteínas son moléculas frágiles, así que si podemos hacerlo con polímeros sintéticos, eso nos da mucha más flexibilidad ".

Una cosa es crear nanocristales. Conseguir que esos nanocristales se organicen y formen microestructuras y luego estructuras a macroescala es algo completamente diferente.

"No están en el nivel de complejidad que vemos en la naturaleza, ese es el Santo Grial, "Mallapragada explicó, "pero esa es la inspiración y estamos tratando de llegar allí con enfoques sintéticos".

El último objetivo para aprovechar este proceso de construcción natural es la creación de metamateriales, los llamados materiales para zurdos que tienen propiedades ópticas interesantes que no ocurren en la naturaleza.

"Estamos estudiando el uso de plantillas orgánicas para ensamblar partículas inorgánicas y obtener las propiedades deseadas, "Mallapragada." Tenemos una colaboración muy fuerte con los físicos Costas Soukoulis y Thomas Koschny del Laboratorio Ames, y han hecho un trabajo maravilloso con simulaciones y predicciones de estructuras y han desarrollado algunas estructuras litográficas, pero esos son solo 2-D. Así que es realmente un caso perfecto para usar estos enfoques bioinspirados para autoensamblar estos metamateriales en estructuras tridimensionales ".

Mallapragada nuevamente apunta a la esponja marina de vidrio para el tipo de ensamblaje multiescala que se requiere para construir metamateriales 3-D.

"La esponja marina tiene un orden en múltiples escalas:nanoescala, escala de micras, escala milimétrica. Es un conjunto de varias escalas, se parece a la torre Eiffel, y es por eso que tiene una gran relación resistencia / peso. ", dijo." Así que necesitamos una jerarquía similar. Definir las formas a nanoescala, pero luego tenga una disposición ordenada de estos objetos a nanoescala en 2-D y luego en 3-D para obtener las propiedades deseadas ".

Además de utilizar polímeros autoensamblables, que proporcionan orden de largo alcance, El ADN también se ha utilizado porque permite la especificidad en la colocación de nanopartículas. Para crear metamateriales, el equipo está considerando usar ambos para controlar la colocación de nanopartículas de oro en un patrón específico, acumule capas y luego aplique una capa de película de oro a toda la estructura para adquirir las propiedades deseadas.

"Se necesita un enfoque muy interdisciplinario, ", Dijo Mallapragada." Tenemos biólogos moleculares (Marit Nilsen-Hamilton) para el lado del ADN, químicos de materiales (Mallapragada) para la síntesis de polímeros, Soukoulis y Koschny por la predicción teórica de las estructuras y (el físico) Alex Travesset por modelar los tipos de estructuras que podemos obtener ".

"Necesitamos una buena caracterización, por lo que David Vaknin está buscando métodos de dispersión y Tanya Prozorov ha estado haciendo trabajos de microscopía electrónica de transmisión, ", continuó." Andy Hillier (ingeniero químico / biológico) ha estado involucrado en la metalización, aplicando la película continua de oro en esas plantillas nanoestructuradas. Así que es un multinivel, de varios pasos, proceso sintético multicomponente ".

¡La Madre Naturaleza debería sentirse halagada!