(Phys.org) - Muchos avances recientes en microtecnología y nanotecnología dependen de partículas esféricas microscópicas que se autoensamblan en agregados a gran escala para formar una gama relativamente limitada de estructuras cristalinas. El montaje dirigido es una nueva rama de este campo, donde los científicos descubren cómo hacer que las partículas se ensamblen para formar una amplia gama de estructuras en lugares dados.
Las técnicas actuales para el montaje dirigido suelen utilizar un campo aplicado, como un campo eléctrico o magnético, mover partículas y ensamblarlas en estructuras bien definidas. Ahora, Investigadores de la Universidad de Pensilvania han identificado un método nuevo y sencillo para dirigir el ensamblaje de partículas basándose únicamente en la tensión superficial y la forma de las partículas.
La investigación, dirigido por Kathleen J. Stebe, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y vicedecano de Investigación de la escuela, fue realizada por un equipo de investigadores en su laboratorio, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski y Marisa Wang. Fue publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Sus resultados se basan en el simple hecho de que una superficie líquida tenderá a minimizar su área superficial.
"Es la misma razón por la que la tensión superficial hace que una gota de agua quiera ser una esfera, —Dijo Stebe. "Pero podemos ajustar ese fenómeno para hacer cosas asombrosas".
Se han utilizado partículas esféricas autoensamblables para fabricar nuevos materiales con propiedades ópticas y mecánicas únicas. pero no esférico, o anisotrópico, las partículas pueden ser aún más prometedoras. Al tener una direccionalidad definible, las propiedades de los materiales que componen las partículas pueden modificarse en función de sus orientaciones.
En el estudio, El laboratorio de Stebe utilizó partículas cilíndricas hechas de un polímero común. Cuando se coloca sobre la superficie de una fina película de agua, los cilindros producen una deformación en forma de silla de montar:la superficie del agua se hunde en cada extremo de una partícula y se eleva a lo largo de sus lados.
El laboratorio de Stebe había demostrado previamente que esta forma de silla de montar se puede utilizar para orientar dos partículas cilíndricas de un extremo a otro. A medida que las depresiones en sus extremos entran en contacto, la tensión superficial hace que el área del espacio entre ellos se contraiga, uniendo los extremos.
En el nuevo estudio, en lugar de dos partículas interactuando, las partículas interactúan con un poste fijo. El poste atraviesa la superficie del agua, haciendo que la superficie se curve hacia arriba a su alrededor. La interacción entre la deformación de una partícula y esta curva se rige por el mismo fenómeno de tensión superficial mostrado en el estudio anterior; las partículas se mueven para hacer que la superficie sea lo más pequeña posible.
"Esto significa que tan pronto como las partículas golpean la superficie del agua, cambian su alineación y comienzan a moverse rápidamente cuesta arriba hacia el poste, ”Dijo Cavallaro. "También pudimos predecir las líneas que viajarían para tres formas de poste diferentes".
Al cambiar la forma de la sección transversal de los postes, los investigadores pudieron demostrar un control preciso sobre cómo se movían y orientaban las partículas. Un poste circular atraía partículas en línea recta, mientras que un poste elíptico atraía partículas hacia los extremos alargados. Un poste cuadrado produjo el comportamiento más complejo, atrayendo partículas fuertemente a las esquinas, dejando los lados abiertos.
La elección del laboratorio de la forma y el material de las partículas fue solo para ayudar a los investigadores a observar la orientación y posición de las partículas; cualquier partícula no esférica, sobre cualquier superficie líquido-líquido o líquido-vapor, se regiría por los mismos principios y produciría el mismo tipo de deformación. Esto hace que esta investigación sea particularmente poderosa:no depende de que la partícula tenga una forma determinada o esté hecha de un material determinado.
Las superficies tachonadas con postes estratégicamente colocados y formados podrían dirigir y orientar las partículas en casi cualquier configuración. Y debido a que el mecanismo detrás del movimiento de las partículas es simplemente la curvatura de la superficie, su movimiento podría "programarse" cambiando la disposición de los postes o la forma de la interfaz.
"Podría entrar con una aguja, por ejemplo, y levantar dinámicamente la superficie en diferentes ubicaciones, o en diferentes momentos, —Dijo Stebe.
“Muy a menudo, cuando pensamos en utilizar micro o nanotecnología, no estamos pensando en propiedades a esa pequeña escala:será la estructura organizada hecha de micropartículas o nanopartículas la que será útil, tal vez como una lente o una superficie inteligente, ”Dijo ella. “Este fenómeno podría usarse para crear nuevas estructuras enviando partículas a ciertos lugares. Podríamos definir rutas y decir "aquí hay un sitio de atraque:vaya allí" o "aquí hay un lugar donde no queremos nada; no vayas allí ".
“Esta es una clara demostración de montaje dirigido. Como el autoensamblaje, las cosas se juntan de abajo hacia arriba, pero aquí se juntan exactamente donde queremos que estén ".
