Los investigadores de Berkeley Lab han informado de la primera observación directa de nanopartículas sometidas a adhesión orientada, el paso crítico en la biomineralización y el crecimiento de nanocristales. Una mejor comprensión de la unión orientada en nanopartículas es clave para sintetizar nuevos materiales con propiedades estructurales notables.

A través de la biomineralización, la naturaleza es capaz de producir maravillas de la ingeniería como el nácar, o nácar, el revestimiento interior de las conchas de abulón famoso tanto por su belleza iridiscente como por su increíble dureza. La clave para la biomineralización es el fenómeno conocido como "apego orientado, "mediante el cual las nanopartículas adyacentes se conectan entre sí en una orientación cristalográfica común. Si bien se ha reconocido desde hace mucho tiempo la importancia de la adhesión orientada a las propiedades biominerales, el mecanismo por el cual ocurre sigue siendo un misterio. Con una mejor comprensión del apego orientado, debería ser posible sintetizar nuevos materiales con propiedades estructurales notables. Con ese fin, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha informado de la primera observación directa de lo que han denominado "salto a contacto, "el paso crítico en el apego orientado.

"La observación directa de las aceleraciones traslacionales y rotacionales asociadas con el salto al contacto entre nanopartículas nos permitió calcular las fuerzas que impulsan el apego orientado, "dijo Jim DeYoreo, un científico de la Fundición Molecular, un centro de nanociencia del DOE en Berkeley Lab donde se llevó a cabo esta investigación. "Esto nos da una base para probar modelos y simulaciones que podrían abrir la puerta al uso de accesorios orientados en la síntesis de nuevos materiales únicos".

DeYoreo es el autor correspondiente de un artículo en la revista. Ciencias que describe esta investigación titulada "Las interacciones específicas de dirección controlan el crecimiento de cristales mediante el apego orientado". Los coautores de este artículo fueron Dongsheng Li, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen y Jillian Banfield.

Desde que un estudio en 2000 dirigido por el coautor Banfield reveló la existencia de un accesorio orientado a nanopartículas, Se ha reconocido ampliamente que el fenómeno es un mecanismo importante de crecimiento de cristales en muchos materiales naturales y biomiméticos. así como en la síntesis de nanocables.

"Estos sistemas de nanocristales a menudo exhiben formas complejas que van desde cadenas cuasi-unidimensionales hasta superestructuras jerárquicas tridimensionales, pero típicamente difractan como un solo cristal, lo que implica que las partículas primarias se alinearon durante el crecimiento, "dice Li, primer autor del artículo de Science y miembro del grupo de investigación de DeYoreo. "Cuando la alineación de partículas se acompaña de coalescencia, este crecimiento se caracteriza como apego orientado, sin embargo, la vía por la cual las nanopartículas se alinean y adhieren no se ha entendido bien ".

Para obtener más información sobre las interacciones y fuerzas que impulsan el apego orientado, Los investigadores de Berkeley estudiaron el crecimiento de cristales tempranos de nanopartículas de óxido de hierro. Los óxidos de hierro abundan en la corteza terrestre y desempeñan un papel importante en los procesos biogeoquímicos que dan forma a los entornos cercanos a la superficie. Usando una celda líquida de silicio montada dentro de un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución en Molecular Foundry, el equipo de investigación registró imágenes con resolución suficiente para rastrear las orientaciones de las nanopartículas durante el crecimiento de los cristales.

"Observamos las partículas en rotación e interacción continuas hasta que encontraron una combinación de celosía perfecta, momento en el que se produjo un salto repentino al contacto en una distancia de menos de un nanómetro, "Dice DeYoreo." Este salto a contacto es seguido por adiciones laterales átomo por átomo iniciadas en el punto de contacto. Las aceleraciones traslacionales y rotacionales medidas muestran que fuertes, las interacciones altamente específicas de la dirección impulsan el crecimiento de los cristales a través del apego orientado ".

La información obtenida de esta investigación sobre la unión orientada de nanopartículas de óxido de hierro debería ser aplicable no solo a la futura síntesis de materiales biomiméticos, sino también a los esfuerzos de restauración ambiental. Los científicos ahora saben que la mineralización en entornos naturales a menudo se produce a través de eventos de unión de partículas a partículas y juega un papel importante en el secuestro de contaminantes. Comprender las fuerzas detrás del apego orientado también debería impulsar el desarrollo de nanocables semiconductores ramificados o en forma de árbol, estructuras en las que uno o más nanocables secundarios crecen radialmente a partir de un nanoalambre primario.

"Se están buscando nanocables de semiconductores ramificados para aplicaciones en fotocatálisis, fotovoltaica y nanoelectrónica debido a su gran superficie, pequeños diámetros, y capacidad para formar uniones naturales, "Dice DeYoreo." La comprensión de los mecanismos subyacentes que controlan la ramificación de nanocables debería ayudar a los científicos de materiales a desarrollar estrategias más efectivas para producir estos materiales ".