Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad Northwestern han hecho posible observar y simular el autoensamblaje de materiales cristalinos a una resolución mucho más alta que antes.

Usando modelado por computadora y una técnica de imagen llamada microscopía electrónica de fase líquida, El equipo identificó los movimientos individuales de diminutas partículas a nanoescala a medida que se orientan en redes cristalinas. El trabajo confirma que las nanopartículas sintéticas, los bloques de construcción fundamentales de muchos materiales sintéticos y biológicos, pueden ensamblarse de formas mucho más complejas que las partículas más grandes. los investigadores dijeron, y allana el camino para aplicaciones más generales para la mineralización, productos farmacéuticos, óptica y electrónica.

El nuevo estudio, dirigido por Qian Chen, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la U. de I., y Erik Luijten, un profesor de Northwestern de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas, se publica en la revista Materiales de la naturaleza .

"Las imágenes y el modelado se realizan de forma rutinaria para partículas de aproximadamente 1 micrómetro de tamaño, "dijo Luijten, quien dirigió la parte de modelado computacional del estudio. "Aquí, tenemos técnicas recientemente desarrolladas que pueden hacer esto para partículas que tienen un tamaño de 100 nanómetros, 10 veces más pequeñas que antes ".

Debido a que las nanopartículas son muy pequeñas e interactúan en soluciones líquidas, verificar sus vías de cristalización a través de la observación directa no era posible antes de la microscopía electrónica de fase líquida, dijo Chen, quien dirigió la parte experimental del estudio.

El equipo de Chen realizó experimentos de laboratorio usando pequeños prismas de oro en un fluido, observando de cerca cómo las partículas comenzaron a interactuar entre sí.

"Las partículas comienzan a apilarse y formar columnas, pero lo hacen de una manera desalineada antes de finalmente empaquetarse herméticamente y cristalizar en cristales ordenados, "dijo Zihao Ou, un estudiante graduado de la U. de I. y coautor del estudio.

"Lo que hemos observado es una fase amorfa intermedia que se produce a lo largo de la vía de cristalización de las nanopartículas, algo que no se había visto antes de este trabajo, "Dijo Chen.

Sin embargo, hay detalles sobre las vías de cristalización que no se pueden medir solo con imágenes, dijeron los investigadores.

"Nuestras simulaciones por computadora, desarrollado por el estudiante graduado de la Universidad Northwestern Ziwei Wang, nos permiten clasificar los detalles de las fuerzas impulsoras fundamentales detrás del movimiento y la cristalización de las nanopartículas, ", Dijo Luijten." Resulta que la aleatoriedad en la orientación de las partículas conduce a un tipo diferente de cristalización en escalas de mayor longitud. Esa es una noción que fue sugerida por los datos experimentales, pero realmente requirió simulaciones para confirmar este principio ".

Los investigadores visualizan una amplia gama de aplicaciones para este desarrollo, desde comprender cómo se autoensamblan las proteínas hasta la física a nanoescala detrás de los nuevos materiales de las baterías, por ejemplo.

"Los científicos quieren saber cómo controlar la síntesis de materiales cristalinos para poder diseñar nuevos materiales, "dijo Binbin Luo, un estudiante graduado de la U. de I. y coautor del estudio. "Comprender exactamente cómo ocurre este proceso es esencial para ese control".