El profesor Erwin Frey, catedrático de Física Estadística y Biológica de la LMU y miembro del ORIGINS Excellence Cluster, y su compañero de investigación, el Dr. Florian Gartner, han investigado ahora un aspecto del autoensamblaje que ha recibido poca atención hasta ahora:¿qué papel desempeña la forma? ¿Y el número de posibles enlaces entre partículas?

Como informan los investigadores en la revista Physical Review X , sus resultados muestran que las morfologías hexagonales (en otras palabras, estructuras de seis lados), como las moléculas con seis sitios de unión, son ideales para el autoensamblaje.

Los fenómenos de escala despiertan el interés de los investigadores

"Cuando investigamos un modelo general de autoensamblaje, observamos que el tiempo de montaje aumentaba con el tamaño de la estructura objetivo", relata Gartner. "Esto nos hizo preguntarnos si la forma de las partículas podría tener una influencia considerable en la rapidez con la que aumenta el tiempo de montaje necesario con el tamaño de la estructura objetivo y, por tanto, en la eficacia de los procesos de autoorganización. Esta escala del tiempo de montaje con El tamaño de la estructura objetivo define lo que llamamos la complejidad temporal del autoensamblaje."

Siguiendo esta idea, los científicos desarrollaron un modelo matemático para analizar el comportamiento del sistema durante el autoensamblaje. Sus resultados demuestran que la morfología de los bloques de construcción juega un papel importante.

Al tener en cuenta, entre otros aspectos, la escala y la cinética de los sistemas, Frey y Gartner pudieron demostrar que las formas hexagonales ofrecen ventajas considerables para el autoensamblaje. Por ejemplo, el montaje de estructuras formadas por mil bloques de construcción puede ser casi cuatro órdenes de magnitud más rápido con bloques de construcción hexagonales que con bloques triangulares.

Este principio del hexágono se aplica generalmente a la morfología, que no sólo describe la forma de las partículas, sino también el número y la posición de sus enlaces:seis posibles enlaces con partículas adyacentes resultaron ideales para el ensamblaje de estructuras más grandes. Pueden ser enlaces covalentes, enlaces puente de hidrógeno, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas.

También existen correspondencias en la naturaleza para este patrón, como el autoensamblaje de las cápsides virales. Este proceso comienza con el ensamblaje de pequeñas piezas triangulares en hexágonos, que posteriormente se unen con pentágonos para formar las estructuras icosaédricas de las cápsides virales.

Aplicaciones potenciales

Según los científicos, sus resultados aportan conocimientos valiosos para la nanotecnología. El principio del hexágono podría aplicarse para optimizar la autoorganización de estructuras pequeñas en estructuras más grandes, en lo que respecta a la forma de los bloques de construcción o la posibilidad de enlaces y relaciones de adyacencia con otras partículas. Mediante el autoensamblaje jerárquico, por ejemplo, podría ser posible formar partículas con una morfología particularmente ventajosa (hexágonos, por ejemplo) en un paso de ensamblaje inicial para mejorar la eficiencia de todo el proceso de ensamblaje.

"Si se comprende qué morfologías de los monómeros conducen a un autoensamblaje eficiente, se pueden seleccionar deliberadamente estas formas y evitar formas ineficientes que se ensamblan lentamente", explica Gartner. "Un ejemplo de cómo se podría aprovechar esta estrategia es la síntesis de cápsides virales artificiales para aplicaciones biomédicas".