Un nuevo estudio colaborativo dirigido por un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, Universidad de California, Los Ángeles y la Universidad de Washington podrían proporcionar a los ingenieros nuevas reglas de diseño para crear microelectrónica, membranas y tejidos, y abrir mejores métodos de producción para nuevos materiales. Al mismo tiempo, la investigación, publicado en línea el 6 de diciembre en la revista Ciencias , ayuda a defender una teoría científica que no ha sido probada durante más de un siglo.

Así como los niños siguen la regla de hacer fila en una sola fila después del recreo, algunos materiales usan una regla subyacente para ensamblar en superficies una fila a la vez, según el estudio.

La nucleación, ese primer paso de formación, es omnipresente en las estructuras ordenadas de la naturaleza y la tecnología, desde gotas de nubes hasta caramelo de roca. Sin embargo, a pesar de algunas predicciones hechas en la década de 1870 por el científico estadounidense J. Willard Gibbs, los investigadores todavía están debatiendo cómo ocurre este proceso básico.

El nuevo estudio verifica la teoría de Gibbs para los materiales que se forman fila por fila. Dirigido por el estudiante graduado de la Universidad de Washington, Jiajun Chen, trabajando en PNNL, la investigación descubre el mecanismo subyacente, que llena un vacío de conocimiento fundamental y abre nuevos caminos en la ciencia de los materiales.

Chen usó pequeños fragmentos de proteínas llamados péptidos que muestran especificidad, o pertenencia única, a una superficie material. Los colaboradores de UCLA han estado identificando y utilizando péptidos específicos de materiales como agentes de control para forzar a los nanomateriales a crecer en ciertas formas. como los deseados en reacciones catalíticas o dispositivos semiconductores. El equipo de investigación hizo el descubrimiento mientras investigaba cómo un péptido en particular, uno con una fuerte afinidad de unión por el disulfuro de molibdeno, interactúa con el material.

"Fue una completa casualidad, "dijo el científico de materiales de PNNL James De Yoreo, coautor correspondiente del artículo y asesor de doctorado de Chen. "No esperábamos que los péptidos se ensamblaran en sus propias estructuras altamente ordenadas".

Eso puede haber sucedido porque "este péptido se identificó a partir de un proceso de evolución molecular, "agrega el coautor correspondiente Yu Huang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UCLA. "Parece que la naturaleza encuentra la manera de minimizar el consumo de energía y hacer maravillas".

La transformación de agua líquida en hielo sólido requiere la creación de una interfaz sólido-líquido. Según la teoría clásica de nucleación de Gibbs, aunque convertir el agua en hielo ahorra energía, crear la interfaz cuesta energía. La parte complicada es el comienzo inicial, es decir, cuando la superficie de la nueva partícula de hielo es grande en comparación con su volumen. por lo que cuesta más energía hacer una partícula de hielo de la que se ahorra.

La teoría de Gibbs predice que si los materiales pueden crecer en una dimensión, es decir, fila por fila, no existiría tal penalización de energía. Entonces, los materiales pueden evitar lo que los científicos llaman la barrera de nucleación y son libres de autoensamblarse.

Ha habido una controversia reciente sobre la teoría de la nucleación. Algunos investigadores han encontrado evidencia de que el proceso fundamental es en realidad más complejo que el propuesto en el modelo de Gibbs.

Pero "este estudio muestra que ciertamente hay casos en los que la teoría de Gibbs funciona bien, "dijo De Yoreo, quien también es profesor afiliado de UW tanto de química como de ciencia e ingeniería de materiales.

Estudios anteriores ya habían demostrado que algunas moléculas orgánicas, incluyendo péptidos como los del artículo de Science, Puede autoensamblarse en superficies. Pero en PNNL, De Yoreo y su equipo investigaron más profundamente y encontraron una manera de comprender cómo las interacciones moleculares con los materiales impactan en su nucleación y crecimiento.

Expusieron la solución de péptido a superficies frescas de un sustrato de disulfuro de molibdeno, midiendo las interacciones con microscopía de fuerza atómica. Luego compararon las mediciones con simulaciones de dinámica molecular.

De Yoreo y su equipo determinaron que incluso en las primeras etapas, los péptidos unidos al material una fila a la vez, sin barreras, tal como predice la teoría de Gibbs.

La alta velocidad de obtención de imágenes de la microscopía de fuerza atómica permitió a los investigadores ver las filas justo cuando se estaban formando. Los resultados mostraron que las filas se ordenaron desde el principio y crecieron a la misma velocidad independientemente de su tamaño, una prueba clave. También formaron nuevas filas tan pronto como hubo suficiente péptido en la solución para que las filas existentes crecieran; eso solo sucedería si la formación de filas no tuviera barreras.

Este proceso fila por fila proporciona pistas para el diseño de materiales 2-D. En la actualidad, para formar ciertas formas, los diseñadores a veces necesitan poner los sistemas muy fuera de equilibrio, o equilibrio. Eso es difícil de controlar dijo De Yoreo.

"Pero en 1-D, la dificultad de hacer que las cosas se formen en una estructura ordenada desaparece, ", Agregó De Yoreo." Entonces puede operar cerca del equilibrio y aún hacer crecer estas estructuras sin perder el control del sistema ".

Podría cambiar las vías de ensamblaje para aquellos que diseñan microelectrónica o incluso tejidos corporales.

El equipo de Huang en UCLA ha demostrado nuevas oportunidades para dispositivos basados ​​en materiales 2-D ensamblados a través de interacciones en solución. Pero dijo que los procesos manuales actuales utilizados para construir dichos materiales tienen limitaciones, incluidas las capacidades de ampliación.

"Ahora con el nuevo entendimiento, podemos comenzar a explotar las interacciones específicas entre moléculas y materiales 2-D para procesos de ensamblaje automáticos, "dijo Huang.

El siguiente paso, dijo De Yoreo, es hacer moléculas artificiales que tengan las mismas propiedades que los péptidos estudiados en el nuevo artículo, solo que más robustas.

En PNNL, De Yoreo y su equipo están buscando peptoides estables, que son tan fáciles de sintetizar como los péptidos, pero pueden manejar mejor las temperaturas y los productos químicos utilizados en los procesos para construir los materiales deseados.