(Phys.org) - Si bien es relativamente sencillo construir una caja en la macroescala, es mucho más desafiante en escalas de longitud de micro y nanómetros más pequeñas. En esos tamaños, Las estructuras tridimensionales (3-D) son demasiado pequeñas para ser ensambladas por cualquier máquina y deben guiarse para ensamblarlas por sí mismas. Y ahora, investigación interdisciplinaria de ingenieros de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland., y matemáticos de la Universidad Brown en Providence, RHODE ISLAND., ha dado lugar a un gran avance que demuestra que los poliedros de orden superior pueden plegarse y ensamblarse por sí mismos.
"Lo que es notable aquí no es solo que una estructura se pliega por sí sola, pero que se pliega en una muy precisa, forma tridimensional, y sucede sin pinzas ni intervención humana, "dice David Gracias, ingeniero químico y biomolecular en Johns Hopkins. "Al igual que la naturaleza ensambla todo, desde conchas marinas hasta piedras preciosas de abajo hacia arriba, la idea del autoensamblaje promete una nueva forma de fabricar objetos de abajo hacia arriba ".
Con el apoyo de la National Science Foundation (NSF), Gracias y Govind Menon, matemático de la Universidad de Brown, están desarrollando micro y nanoestructuras tridimensionales autoensambladas que se pueden utilizar en una serie de aplicaciones, incluida la medicina.
El equipo de Menon en Brown comenzó a diseñar estas diminutas estructuras tridimensionales aplanándolas primero. Trabajaron con varias formas, como paneles interconectados de 12 lados, que potencialmente se puede plegar en un recipiente en forma de dodecaedro. "Imagínese cortarlo y aplanar las caras a medida que avanza, ", dice Menon." Es un despliegue bidimensional del poliedro ".
Y no todas las formas planas son iguales; algunos se pliegan mejor que otros. "Los mejores son los más compactos. Hay 43, 380 formas de doblar un dodecaedro, "señala Menon.
Los investigadores desarrollaron un algoritmo para examinar todas las opciones posibles, reduciendo el campo a unas pocas formas compactas que se pliegan fácilmente en estructuras tridimensionales. El equipo de Menon envió esos diseños a Gracias y su equipo en Johns Hopkins, quienes construyeron las formas, y validó la hipótesis.
"Depositamos un material entre las caras y los bordes, y luego calentarlos, que crea tensión superficial y une los bordes, fusionando la estructura cerrada, "explica Gracias." El ángulo entre los paneles adyacentes en un dodecaedro es de 116,6 grados y en nuestro proceso, los paneles pentagonales se alinean con precisión en estos ángulos extraordinariamente precisos y se sellan; todo por su cuenta ".
"La era de la miniaturización promete revolucionar nuestras vidas. Podemos hacer estos poliedros a partir de muchos materiales diferentes, como los metales, semiconductores e incluso polímeros biodegradables para una gama de ópticas, aplicaciones de administración electrónica y de medicamentos, "continúa Gracias". Por ejemplo, existe una necesidad en medicina de crear partículas inteligentes que puedan atacar tumores específicos, enfermedad específica, sin administrar drogas al resto del cuerpo, lo que limita los efectos secundarios ".
Imagínese miles de diminuto, biodegradable, cajas corriendo por el torrente sanguíneo en ruta hacia un órgano enfermo. Una vez que llegan a su destino, pueden liberar medicamentos con una precisión milimétrica. Esa es la visión para el futuro. Por ahora, la preocupación más inmediata es conseguir que el diseño de las estructuras sea el correcto para que se puedan fabricar con altos rendimientos.
"Nuestro proceso también es compatible con la fabricación de circuitos integrados, así que imaginamos que podemos usarlo para colocar chips de memoria y lógica basados en silicio en las caras de poliedros 3-D. Nuestra metodología abre la puerta a la creación de partículas `` inteligentes '' y multifuncionales verdaderamente tridimensionales en escalas de micro y nano longitud, "dice Gracias.
