La tecnología es cada vez más pequeña, lo cual es una buena noticia.

La capacidad de fabricar materiales con óptica, Las propiedades eléctricas y mecánicas de partículas muy pequeñas podrían tener aplicaciones de gran alcance. Por ejemplo, Las micropartículas injertadas con ADN se pueden usar en medicina para una mejor detección, suministro de imágenes y tratamiento. Una mejor comprensión de cómo se comportan estos materiales podría llevar a cumplir la promesa de la medicina de precisión, entre otras aplicaciones.

Aún queda mucho por aprender sobre la mejor manera de dirigir la fabricación de estos micromateriales. El proceso de autoensamblaje de partículas de tamaño micro funcionalizadas con ADN conduce a la cristalización, es decir., átomos y moléculas transformándose en una forma altamente estructurada llamada cristal. La cristalización comienza con la nucleación, el proceso mediante el cual los átomos o moléculas se agrupan a escala microscópica. Si los grupos se vuelven estables y lo suficientemente grandes, puede producirse el crecimiento de cristales. Los átomos y compuestos generalmente pueden formar más de una estructura cristalina, llamado polimorfismo. La disposición de las partículas se determina durante las primeras etapas de cristalización.

Según Jeetain Mittal, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Lehigh, Las transformaciones estructurales que implican el potencial de polimorfismo durante la cristalización se han atribuido convencionalmente a efectos cinéticos, o la tasa de nucleación, para predecir qué estructuras se pueden observar cuando se forman los cristales. Esto está en línea con la teoría clásica de nucleación.

Ahora, Mittal y su equipo han demostrado que los efectos cinéticos pueden ser incapaces de explicar completamente la transformación estructural en todas las situaciones polimórficas y que la termodinámica de la superficie, relacionada con el tamaño de los cristalitos en oposición a la velocidad, puede ser crítica para impulsar las transformaciones entre las estructuras cristalinas. El equipo encontró una nueva vía para la transformación estructural de una red cuadrada a hexagonal durante el crecimiento de los cristales, que se impulsa termodinámicamente.

En muchos sistemas anteriores, según Mittal, los cristalitos que presentan polimorfismo estructural se han atribuido a efectos cinéticos, relacionado con la tasa de nucleación. En su trabajo, Mittal y sus colaboradores proporcionan cálculos sólidos para demostrar que la transformación estructural puede ser completamente termodinámica, en contraste con el argumento cinético, desde perspectivas tanto teóricas como computacionales. Más lejos, Se observa una transformación estructural similar en un sistema modelado más detallado utilizando un modelo de grano grueso que representa la partícula funcionalizada de ADN. Esta es una fuerte evidencia de que tales transformaciones estructurales pueden ser mucho más generales y pueden conectarse a sistemas más realistas.

"Comprender el proceso de cristalización es especialmente importante para controlar y predecir la estructura producida, "dice Runfang Mao, un actual Doctorado en Lehigh. estudiante y coautor del artículo. "Aunque es útil en muchos casos, Se entiende que la teoría clásica de la nucleación no es válida en muchos sistemas. Mostramos que tal transformación estructural dependiente del tamaño es una de esas excepciones, y que está impulsado por las propiedades termodinámicas de los cristalitos de tamaño finito. Hasta donde sabemos, tal transformación estructural dependiente del tamaño no se ha ilustrado claramente en ninguna otra parte de la literatura ".

Sus hallazgos se han publicado hoy en Avances de la ciencia en el artículo "Selección estructural termodinámica dependiente del tamaño en cristalización coloidal". Además de Mittal y Mao, los autores incluyen a Evan Pretti, Hasan Zerze, Minseok Song y Yajun Ding, todos estudiantes actuales o anteriores en Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science.

Mittal y su equipo estudiaron cómo mezclas particulares de coloides con cadenas de ADN atadas a sus superficies cristalizan en redes bidimensionales cuando los coloides interactúan entre sí. Cristalización, como explica Pretti, comienza a partir de pequeños grupos de partículas que crecen y se agregan, y bajo ciertas condiciones, estos cristalitos pueden comenzar en una estructura cristalina y transformarse en otra a medida que pasa el tiempo.

"Encontramos eso, para nuestro sistema, estas transformaciones se pueden explicar en función de cómo las estabilidades termodinámicas relativas de las diferentes estructuras se ven afectadas por los tamaños de los cristalitos, "dice Pretti." En particular, para cristalitos suficientemente pequeños, la termodinámica de las superficies se vuelve lo suficientemente importante como para que puedan influir en la estructura, que desencadena las transformaciones observadas durante el autoensamblaje ".

Según Mittal, Estos sistemas funcionalizados con ADN son de particular interés en el campo del ensamblaje coloidal, debido a la gran flexibilidad y variedad de posibilidades que ofrece el uso de diferentes tipos de partículas y secuencias de ADN. Sus resultados, sin embargo, no se limitan solo a dichos sistemas, pero podría proporcionar una mayor comprensión de cómo funcionan y pueden controlarse otros tipos de procesos de cristalización.

El equipo comenzó a utilizar simulaciones de dinámica molecular estándar para comprender cómo se comportaba su sistema. Para demostrar que las transformaciones que estaban viendo eran de origen termodinámico, tomaron un método existente utilizado para calcular las estabilidades termodinámicas relativas de sólidos cristalinos periódicos, y lo modificó para que pudieran analizar sus cristalitos de tamaño finito.

"Hemos identificado una transformación estructural que es reversible y se puede explicar utilizando solo la termodinámica de los cristales de tamaño finito, ", dice Mittal." Nuestro trabajo puede proporcionar una nueva forma de ver y explicar las transformaciones en sistemas de partículas funcionalizados con ADN y potencialmente también en otros tipos de cristales ".