Investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad Northwestern han demostrado estructuras bioinspiradas que se autoensamblan a partir de simples bloques de construcción:esferas.

Las "supermoléculas" helicoidales están formadas por pequeñas bolas coloidales en lugar de átomos o moléculas. Se podrían utilizar métodos similares para fabricar nuevos materiales con la funcionalidad de moléculas coloidales complejas. El equipo publicará sus hallazgos en la edición del 14 de enero de la revista. Ciencias .

"Ahora podemos crear una clase completamente nueva de materiales inteligentes, que abre la puerta a nuevas funciones que antes no podíamos imaginar, "dijo Steve Granick, Profesor fundador de ingeniería en la Universidad de Illinois y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, química, y física.

El equipo de Granick desarrolló pequeñas esferas de látex, apodado "esferas de Janus, "que se atraen en el agua por un lado, pero se repelen en el otro lado. La naturaleza dual es lo que le da a las esferas su capacidad para formar estructuras inusuales, de forma similar a los átomos y moléculas.

En agua pura las partículas se dispersan completamente porque sus lados cargados se repelen entre sí. Sin embargo, cuando se agrega sal a la solución, los iones de sal suavizan la repulsión para que las esferas puedan acercarse lo suficiente para que sus extremos hidrófobos se atraigan. La atracción entre esos extremos une las esferas en grupos.

A bajas concentraciones de sal, se forman pequeños grupos de sólo unas pocas partículas. En niveles más altos, se forman grupos más grandes, eventualmente se autoensambla en cadenas con una intrincada estructura helicoidal.

"Al igual que los átomos que se convierten en moléculas, estas partículas pueden convertirse en supracoloides, "Dijo Granick." Tales vías serían muy convencionales si estuviéramos hablando de átomos y moléculas que reaccionan químicamente entre sí, pero la gente no se ha dado cuenta de que las partículas también pueden comportarse de esta manera ".

El equipo diseñó esferas con la cantidad justa de atracción entre sus mitades hidrofóbicas para que se adhirieran entre sí pero aún así fueran lo suficientemente dinámicas como para permitir el movimiento. reordenamiento, y crecimiento de los conglomerados.

"La cantidad de pegajosidad realmente importa mucho. Puedes terminar con algo que está desordenado, solo pequeños grupos, o si las esferas son demasiado pegajosas, terminas con un lío globular en lugar de estas hermosas estructuras, "dijo el estudiante graduado Jonathan Whitmer, coautor del artículo.

Una de las ventajas de las supermoléculas del equipo es que son lo suficientemente grandes como para observarlas en tiempo real con un microscopio. Los investigadores pudieron ver cómo las esferas de Janus se juntaban y los grupos crecían, ya sea una esfera a la vez o fusionándose con otros grupos pequeños, y reorganizarse en diferentes configuraciones estructurales que el equipo llama isómeros.

"Diseñamos estos materiales inteligentes para que adopten formas útiles que la naturaleza no elegiría, "Dijo Granick.

Asombrosamente, cálculos teóricos y simulaciones por ordenador de Erik Luijten, Profesor de la Universidad de Northwestern de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas, y Whitmer, un alumno de su grupo, demostró que las estructuras helicoidales más comunes no son las más favorables energéticamente. Bastante, las esferas se unen de la manera más favorable cinéticamente, es decir, el primer buen ajuste que encuentran.

Próximo, los investigadores esperan continuar explorando las propiedades coloides con miras a diseñar estructuras más antinaturales. Las partículas de Janus de diferentes tamaños o formas podrían abrir la puerta a la construcción de otras supermoléculas y a un mayor control sobre su formación.

"Estas partículas particulares tienen estructuras preferidas, pero ahora que nos damos cuenta del mecanismo general, podemos aplicarlo a otros sistemas:partículas más pequeñas, diferentes interacciones, y tratar de diseñar grupos que cambien de forma, "Dijo Granick.