(PhysOrg.com) - Si se quiere cumplir la promesa de la nanotecnología, las nanopartículas tendrán que ser capaces de hacer algo por sí mismas. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Han logrado un avance importante hacia este objetivo y han encontrado una forma simple pero poderosamente robusta de inducir a las nanopartículas a ensamblarse en matrices complejas.

Al agregar tipos específicos de moléculas pequeñas a mezclas de nanopartículas y polímeros, los investigadores pueden dirigir el autoensamblaje de las nanopartículas en matrices de uno, dos e incluso tres dimensiones sin modificación química de las nanopartículas ni de los copolímeros de bloque. Además, la aplicación de estímulos externos, como la luz y / o el calor, se puede utilizar para dirigir aún más los ensamblajes de nanopartículas para obtener detalles estructurales aún más finos y complejos.

"Hemos demostrado un enfoque simple pero versátil para controlar con precisión la distribución espacial de nanopartículas fácilmente disponibles en múltiples escalas de longitud, que van desde lo nano hasta lo macro, "dice Ting Xu, un científico de polímeros que dirigió este proyecto y que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y la Universidad de California, Departamentos de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Berkeley, y Química. "Nuestra técnica se puede utilizar en una amplia variedad de nanopartículas y debería abrir nuevas rutas para la fabricación de dispositivos basados ​​en nanopartículas, incluidos sistemas altamente eficientes para la generación y almacenamiento de energía solar".

Xu es el autor correspondiente en un artículo que describe este trabajo que ha sido publicado por la revista. Materiales de la naturaleza . El artículo se titula:"Ensamblaje de nanopartículas dirigidas por moléculas pequeñas hacia nanocompuestos sensibles a estímulos". Los coautores de este artículo con ella fueron Yue Zhao, Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni, Thomas Schilling, José Lutero, Benjamín Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniel Poulsen, Jean Fréchet y Paul Alivisatos.

El arte del autoensamblaje

Partículas de tamaño nanométrico:pedazos de materia de unas mil millonésimas de metro de tamaño, o más de cien veces más pequeño que el material de las microtecnologías actuales:muestran propiedades muy codiciadas que no se encuentran en materiales macroscópicos, incluyendo óptico, electrónico, magnético, etc. La promesa de la nanotecnología es que la explotación de estas propiedades únicas a escala comercial podría producir "transformadores de juego" como la sostenibilidad, energía limpia y barata, y la creación bajo demanda de nuevos materiales con propiedades adaptadas a necesidades específicas. Hacer realidad esta promesa comienza cuando las nanopartículas pueden organizarse en estructuras complejas y patrones jerárquicos, similar a lo que la naturaleza logra habitualmente con las proteínas.

"El control preciso de la organización espacial de nanopartículas y otros bloques de construcción nanoscópicos en múltiples escalas de longitud ha sido un cuello de botella en la generación ascendente de materiales tecnológicamente importantes, ", dice Xu." La mayoría de los enfoques que se han utilizado hasta ahora han involucrado modificaciones de la superficie ".

Pequeños como son, Las nanopartículas son esencialmente todas de superficie, por lo que cualquier proceso que modifique la superficie de una nanopartícula puede cambiar profundamente las propiedades de esa partícula. La disposición precisa de estas nanopartículas es fundamental para adaptar las propiedades macroscópicas durante el ensamblaje de las nanopartículas. Aunque el ADN se ha utilizado para inducir el autoensamblaje de nanopartículas con un alto grado de precisión, este enfoque solo funciona bien para matrices organizadas que tienen un tamaño limitado; no es práctico para la fabricación a gran escala. Xu cree que un mejor enfoque es utilizar copolímeros de bloque:secuencias largas o "bloques" de un tipo de molécula de monómero unidas a bloques de otro tipo de molécula de monómero.

"Los copolímeros de bloque se autoensamblan fácilmente en matrices bien definidas de nanoestructuras a distancias macroscópicas, "Ella dice." Serían una plataforma ideal para dirigir el ensamblaje de nanopartículas, excepto que los copolímeros de bloque y las nanopartículas no son particularmente compatibles entre sí desde el punto de vista químico. Se requiere un mediador para reunirlos ".

Xu y su grupo encontraron un "mediador" de este tipo en forma de pequeñas moléculas que se unirán con las nanopartículas y luego podrán unirse a sí mismas y a sus nanopartículas asociadas a la superficie de un copolímero de bloque. Para este estudio, Xu y su grupo usaron dos tipos diferentes de moléculas pequeñas, tensioactivos (agentes humectantes) denominados "PDP" y "OPAP". Estas pequeñas moléculas pueden estimularse con luz (PDP) o calor (OPAP) para cortar su conexión con la superficie de un copolímero de bloque y reposicionarse en otra ubicación a lo largo de la cadena polimérica. De esta forma, la distribución espacial de los mediadores de moléculas pequeñas y sus nanopartículas asociadas se puede dirigir con precisión sin necesidad de modificar ni las nanopartículas ni los polímeros.

"La belleza de esta técnica es que no implica química sofisticada, "dice Xu." Realmente es una técnica plug and play, en el que simplemente mezcla las nanopartículas con los copolímeros de bloque y luego agrega las moléculas pequeñas que necesite ".

Para este estudio, Xu y sus colegas agregaron moléculas pequeñas de PDP u OPAP a varias mezclas de nanopartículas, tal
como seleniuro de cadmio y sulfuro de plomo, mezclado con un copolímero de bloque comercial:poliestireno-bloque-poli (4-vinil piridina). Mientras ella y su grupo trabajaban con luz y calor, ella dice otros estímulos, como el pH, también podría usarse para reposicionar moléculas pequeñas y sus nanopartículas asociadas a lo largo de formaciones de copolímeros en bloque. Las sustituciones estratégicas de diferentes tipos de moléculas pequeñas que responden a estímulos podrían servir como un mecanismo para el ajuste estructural fino o para incorporar propiedades funcionales específicas en nanocomposites. Xu y sus colegas están ahora en el proceso de agregar funcionalidad a su técnica de autoensamblaje.

"Reúna los componentes básicos correctos:nanopartículas, polímeros y moléculas pequeñas:estimulan la mezcla con una combinación de calor, luz o algunos otros factores, y estos componentes se ensamblarán en estructuras o patrones sofisticados, ", dice Xu." No es diferente de cómo lo hace la naturaleza ".

Fuente:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (noticias:web)