La naturaleza es un maestro constructor. Usando un enfoque de abajo hacia arriba, la naturaleza toma átomos diminutos y, a través de enlaces químicos, hace materiales cristalinos, como diamantes, silicio e incluso sal de mesa. En todos ellos, las propiedades de los cristales dependen del tipo y disposición de los átomos dentro de la red cristalina.

Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Northwestern ha aprendido a superar la naturaleza mediante la construcción de materiales cristalinos a partir de nanopartículas y ADN, el mismo material que define el código genético de todos los organismos vivos.

Usando nanopartículas como "átomos" y ADN como "enlaces, "los científicos han aprendido a crear cristales con las partículas dispuestas en los mismos tipos de configuraciones de red atómica que algunas que se encuentran en la naturaleza, pero también han construido estructuras completamente nuevas que no tienen contrapartida mineral natural.

Las reglas de diseño básicas que los científicos de Northwestern han establecido para este enfoque del ensamblaje de nanopartículas prometen la posibilidad de crear una variedad de nuevos materiales que podrían ser útiles en la catálisis. electrónica, óptica, biomedicina y generación de energía, tecnologías de almacenamiento y conversión.

El nuevo método y las reglas de diseño para fabricar materiales cristalinos a partir de nanoestructuras y ADN serán publicados el 14 de octubre por la revista. Ciencias .

"Estamos construyendo una nueva tabla periódica de tipos, "dijo el profesor Chad A. Mirkin, quien dirigió la investigación. "Usando estas nuevas reglas de diseño y nanopartículas como 'átomos artificiales, 'hemos desarrollado modos de cristalización controlada que son, en muchos aspectos, más poderoso que la forma en que la naturaleza y los químicos fabrican materiales cristalinos a partir de átomos. Controlando el tamaño, forma, tipo y ubicación de nanopartículas dentro de una red determinada, podemos hacer materiales y arreglos de partículas completamente nuevos, no solo lo que dicta la naturaleza ".

Mirkin es profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg y profesor de medicina. ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales y director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern (IIN).

"Una vez que tenemos un cierto tipo de celosía, "Mirkin dijo, "las partículas se pueden acercar o alejar cambiando la longitud del ADN que se interconecta, proporcionando así una capacidad de sintonización casi infinita ".

"Este trabajo fue el resultado de una colaboración interdisciplinaria que combinó la química sintética con la construcción de modelos teóricos, "dijo el coautor George C. Schatz, un teórico de renombre mundial y profesor de química Charles E. y Emma H. ​​Morrison en Northwestern. "Fue el ir y venir entre la síntesis y la teoría lo que fue crucial para el desarrollo de las reglas de diseño. La colaboración es un aspecto especial de la investigación en Northwestern, y funcionó muy eficazmente para este proyecto ".

En el estudio, los investigadores comienzan con dos soluciones de nanopartículas recubiertas con ADN monocatenario. Luego agregan hebras de ADN que se unen a estas partículas funcionalizadas con ADN, que luego presentan un gran número de "extremos pegajosos" de ADN a una distancia controlada de la superficie de la partícula; estos extremos pegajosos se unen a los extremos pegajosos de las partículas adyacentes, formando una disposición macroscópica de nanopartículas.

Se logran diferentes estructuras cristalinas mediante el uso de diferentes combinaciones de nanopartículas (con diferentes tamaños) y hebras de enlace de ADN (con longitudes controlables). Después de un proceso de mezcla y calentamiento, las partículas ensambladas pasan de un estado inicialmente desordenado a uno en el que cada partícula está ubicada con precisión de acuerdo con una estructura de red cristalina. El proceso es análogo a cómo se forman los cristales atómicos ordenados.

Los investigadores informan de seis reglas de diseño que pueden usarse para predecir la estabilidad relativa de diferentes estructuras para un conjunto dado de tamaños de nanopartículas y longitudes de ADN. En el papel, utilizan estas reglas para preparar 41 estructuras cristalinas diferentes con nueve simetrías cristalinas distintas. Sin embargo, las reglas de diseño describen una estrategia para ajustar de forma independiente cada uno de los parámetros cristalográficos relevantes, incluido el tamaño de partícula (varió de 5 a 60 nanómetros), simetría cristalina y parámetros de celosía (que pueden oscilar entre 20 y 150 nanómetros). Esto significa que estos 41 cristales son solo un pequeño ejemplo del número casi infinito de redes que podrían crearse utilizando diferentes nanopartículas y hebras de ADN.

Mirkin y su equipo utilizaron nanopartículas de oro en su trabajo, pero señalan que su método también se puede aplicar a nanopartículas de otras composiciones químicas. Tanto el tipo de nanopartícula ensamblada como la simetría de la estructura ensamblada contribuyen a las propiedades de una red, haciendo de este método un medio ideal para crear materiales con propiedades físicas predecibles y controlables.

Mirkin cree que, un día pronto, Se creará un software que permitirá a los científicos seleccionar los pares de partículas y ADN necesarios para crear casi cualquier estructura bajo demanda.