El proceso de cristalización, en el que los átomos o moléculas se alinean en matrices ordenadas como soldados en formación, es la base de muchos de los materiales que definen la vida moderna, incluido el silicio en microchips y células solares. Pero aunque muchas aplicaciones útiles de los cristales implican su crecimiento en superficies sólidas (en lugar de en solución), Ha habido una escasez de buenas herramientas para estudiar este tipo de crecimiento.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y Draper ha encontrado una forma de reproducir el crecimiento de cristales en superficies, pero a mayor escala que hace que el proceso sea mucho más fácil de estudiar y analizar. El nuevo enfoque se describe en un artículo de la revista. Materiales de la naturaleza , por Robert Macfarlane y Leonardo Zomberg en MIT, y Diana Lewis Ph.D. '19 y David Carter en Draper.

En lugar de ensamblar estos cristales a partir de átomos reales, la clave para hacer que el proceso fuera fácil de observar y cuantificar fue el uso de "equivalentes de átomos programables, "o PAE, Macfarlane explica. Esto funciona porque la forma en que los átomos se alinean en las redes cristalinas es completamente una cuestión de geometría y no depende de las propiedades químicas o electrónicas específicas de sus componentes.

El equipo utilizó nanopartículas esféricas de oro, recubierto con hebras únicas especialmente seleccionadas de ADN modificado genéticamente, dando a las partículas aproximadamente la apariencia de bolas de Koosh. Las hebras individuales de ADN tienen la propiedad inherente de unirse firmemente a las hebras recíprocas correspondientes, para formar la clásica doble hélice, por lo que esta configuración proporciona una forma segura de hacer que las partículas se alineen exactamente de la manera deseada.

"Si pongo un pincel de ADN muy denso en la partícula, va a hacer tantos vínculos con tantos vecinos más cercanos como sea posible, "Dice Macfarlane." Y si diseña todo de manera adecuada y lo procesa correctamente, formarán estructuras cristalinas ordenadas ". Si bien ese proceso se conoce desde hace algunos años, este trabajo es el primero en aplicar ese principio para estudiar el crecimiento de cristales en superficies.

"Comprender cómo crecen los cristales hacia arriba desde una superficie es increíblemente importante para muchos campos diferentes, ", dice. La industria de los semiconductores, por ejemplo, se basa en el crecimiento de grandes materiales monocristalinos o multicristalinos que deben controlarse con gran precisión, sin embargo, los detalles del proceso son difíciles de estudiar. Es por eso que el uso de análogos de gran tamaño como los PAE puede ser tan beneficioso.

Los PAE, él dice, "cristalizan exactamente en las mismas vías que las moléculas y los átomos. Por lo tanto, son un sistema proxy muy bueno para comprender cómo se produce la cristalización". Con este sistema, las propiedades del ADN dictan cómo se ensamblan las partículas y la configuración tridimensional en la que terminan.

Diseñaron el sistema de modo que los cristales se nucleen y crezcan a partir de una superficie y "adaptando las interacciones entre partículas, y entre las partículas y la superficie recubierta de ADN, podemos dictar el tamaño, la forma, la orientación y el grado de anisotropía (direccionalidad) en el cristal, "Dice Macfarlane.

"Al comprender el proceso que atraviesa para formar estos cristales, potencialmente podemos usar eso para comprender los procesos de cristalización en general, " él añade.

Explica que no solo las estructuras cristalinas resultantes son unas 100 veces más grandes que las atómicas reales, pero sus procesos de formación también son mucho más lentos. La combinación hace que el proceso sea mucho más fácil de analizar en detalle. Los métodos anteriores para caracterizar tales estructuras cristalinas solo mostraron sus estados finales, perdiendo así complejidades en el proceso de formación.

"Podría cambiar la secuencia de ADN. Puedo cambiar el número de hebras de ADN en la partícula. Puedo cambiar el tamaño de la partícula y puedo modificar cada uno de estos mangos individuales de forma independiente, ", Dice Macfarlane." Entonces, si quisiera poder decir, OK, Supongo que esta estructura particular podría verse favorecida en estas condiciones si sintonizo la energía de tal manera, ese es un sistema mucho más fácil de estudiar con los PAE de lo que sería con los átomos mismos ".

El sistema es muy eficaz, él dice, pero las cadenas de ADN modificadas de manera que permitan la unión a nanopartículas pueden ser bastante caras. Como siguiente paso, El laboratorio de Macfarlane también ha desarrollado bloques de construcción a base de polímeros que prometen replicar estos mismos procesos y materiales de cristalización. pero se puede hacer de forma económica a una escala de varios gramos.

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.