(Phys.org) - Investigadores del MIT y la Universidad de Florida Central (UCF) han desarrollado una nueva técnica de fabricación versátil para hacer grandes cantidades de esferas uniformes a partir de una amplia variedad de materiales, una técnica que permite un control sin precedentes sobre el diseño de individual, partículas microscópicas. Las partículas, incluyendo complejo, esferas estampadas, podría encontrar usos en todo, desde la investigación biomédica y la administración de medicamentos hasta la electrónica y el procesamiento de materiales.

El método es una consecuencia de una técnica para hacer largos, fibras delgadas de múltiples materiales, desarrollado durante los últimos años en el MIT por miembros del mismo. El nuevo trabajo informó esta semana en la revista Naturaleza , comienza haciendo fibras delgadas usando este método anterior, pero luego agrega un paso adicional de calentamiento de las fibras para crear una línea de esferas diminutas, como un collar de perlas, dentro de estas fibras.

La fabricación convencional de partículas esféricas microscópicas utiliza un enfoque "de abajo hacia arriba", hacer crecer las esferas a partir de "semillas" aún más pequeñas, un enfoque que solo es capaz de producir partículas muy pequeñas. Este nuevo método "de arriba hacia abajo", sin embargo, puede producir esferas tan pequeñas como 20 nanómetros (aproximadamente el tamaño de los virus más pequeños conocidos) o tan grandes como dos milímetros (aproximadamente el tamaño de la cabeza de un alfiler), lo que significa que las partículas más grandes son 100, 000 veces más grandes que los más pequeños. Pero para un lote dado, el tamaño de las esferas producidas puede ser extremadamente uniforme, mucho más de lo que es posible con el enfoque de abajo hacia arriba.

Yoel Fink, profesor de ciencia de los materiales y director del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, cuyo grupo desarrolló el método anterior de producir fibras multimateriales, explica que el nuevo método también puede producir esferas multimateriales que constan de diferentes capas o segmentos. Son posibles estructuras aún más complejas, él dice, ofreciendo un control sin precedentes sobre la arquitectura y la composición de las partículas.

Los usos a corto plazo más probables del nuevo proceso serían para aplicaciones biomédicas, dice Ayman Abouraddy, un ex postdoctorado en el laboratorio de Fink que ahora es profesor asistente en la Facultad de Óptica y Fotónica de la UCF. “Las aplicaciones típicas de las nanopartículas en la actualidad son para la administración controlada de fármacos, ”, Dice. Pero con este nuevo proceso, dos o más medicamentos diferentes, incluso los que normalmente son incompatibles, podrían combinarse dentro de partículas individuales, y se liberan solo una vez que han llegado a su destino previsto en el cuerpo.

Posibilidades más exóticas podrían surgir más tarde, Abouraddy agrega:incluyendo nuevos “metamateriales” con propiedades ópticas avanzadas que antes eran inalcanzables.

El proceso básico implica la creación de un gran cilindro de polímero, llamada "preforma, ”Que contiene un núcleo de cilindro semiconductor interno que es un modelo exacto a escala de la estructura final de la fibra; Luego, esta preforma se calienta hasta que esté lo suficientemente suave como para convertirla en una fibra delgada. como caramelo. La estructura interna de la fibra, hecho de materiales que se ablandan todos a la misma temperatura, conserva la configuración interna del cilindro original.

Luego, la fibra se calienta más para que el núcleo semiconductor forme un líquido, produciendo una serie de gotitas esféricas discretas dentro de la fibra por lo demás continua. Este mismo fenómeno hace que un chorro de agua decreciente de un grifo eventualmente se rompa en un chorro de gotitas, famoso capturado por Harold "Doc" Edgerton del MIT en sus imágenes estroboscópicas.

Abouraddy dice que durante una visita a templos antiguos en su Egipto natal, encontró una inscripción que mostraba que incluso hace mucho tiempo, la gente era consciente de esta degradación de una corriente de agua en gotitas, causada por un proceso que ahora se conoce como inestabilidad de Rayleigh.

En el nuevo proceso de fabricación desarrollado por el equipo de Abouraddy y Fink, estas gotas se “congelan” en su lugar a medida que la fibra se solidifica; La vaina de polímero de la preforma luego las mantiene bloqueadas en su lugar hasta que luego se disuelve. Esto supera otro problema con la producción tradicional de nanopartículas:su tendencia a agruparse.

En principio, Abouraddy dice:el descubrimiento de este proceso de formación de partículas podría haberse producido hace muchos años. Pero incluso después de que los teóricos hubieran predicho que tales inestabilidades podrían formarse en el proceso de estirar fibras, el nuevo descubrimiento llegó por accidente:Joshua Kaufman, un alumno de Abouraddy, estaba tratando de producir fibras, pero su experimento "fracasó" cuando la fibra siguió rompiéndose en gotitas.

Abouraddy, que sabía de la posibilidad teórica, Inmediatamente reconoció que este "fracaso" era en realidad un descubrimiento importante, uno que había eludido intentos anteriores simplemente porque el proceso requiere una combinación precisa de tiempo, temperatura y materiales. Kaufman es el autor principal del artículo de Nature.

“La capacidad de aprovechar y controlar la fugaz inestabilidad de los fluidos dentro de una fibra tiene profundas implicaciones para los dispositivos futuros, "Fink dice, y podría dar lugar a una amplia variedad de usos. Si bien el grupo ha demostrado la producción de partículas de "pelota de playa" de seis segmentos, en principio estructuras mucho más complejas, hecho de una variedad de materiales, también debería ser posible, él dice. Cualquier material que pudiera convertirse en una fibra podría ahora, en principio, convertirse en una pequeña partícula.

El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación del Ejército a través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.