Los científicos han creado nuevos tipos de partículas, 1/100 del diámetro de un cabello humano, que se ensamblan espontáneamente en estructuras que se asemejan a moléculas hechas de átomos. Crédito:Ilustración cortesía de Yufeng Wang y Yu Wang.
Los científicos han creado nuevos tipos de partículas, 1/100 del diámetro de un cabello humano, que se ensamblan espontáneamente en estructuras que se asemejan a moléculas hechas de átomos. Estas nuevas partículas se unen o "autoensamblado, "para formar estructuras en patrones que antes eran imposibles de realizar y prometedoras para la fabricación de materiales ópticos y cerámicos avanzados.
El método, descrito en el último número de la revista Naturaleza , fue desarrollado por un equipo de químicos, ingenieros químicos, y físicos de la Universidad de Nueva York (NYU), la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, el Departamento de Física de Harvard, y Dow Chemical Company.
El método se centra en mejorar la arquitectura de los coloides:pequeñas partículas suspendidas en un medio fluido. Las dispersiones coloidales se componen de elementos cotidianos como pintura, Leche, gelatina, vidrio, y porcelana, pero su potencial para crear nuevos materiales permanece en gran parte sin explotar.
Previamente, los científicos habían logrado construir estructuras rudimentarias a partir de coloides. Pero la capacidad de usar coloides para diseñar y ensamblar estructuras tridimensionales complejas, que son vitales para el diseño de materiales ópticos avanzados, ha sido limitado. Este es, en parte, porque los coloides carecen de enlaces direccionales, que son necesarios para controlar el autoensamblaje de partículas, así como para mejorar la complejidad mientras se mantiene la integridad estructural de estas creaciones. Tales ensamblajes sirven como los bloques de construcción del mundo natural, por ejemplo, átomos y moléculas, pero son raros en el dominio coloidal.
"Lo que este método pretendía hacer era utilizar las propiedades de la naturaleza para los átomos y aplicarlas al mundo coloidal, "explicó el profesor de química de la Universidad de Nueva York, Marcus Weck, uno de los coautores del estudio.
Estas son imágenes de microscopio electrónico de "átomos coloidales, "partículas del tamaño de un micrómetro con parches que permiten la unión solo en direcciones particulares. De izquierda a derecha:partícula con un parche (análogo a un átomo de hidrógeno), dos, Tres, cuatro (análogo a un átomo de carbono), cinco, seis, y siete parches. Crédito:Imagen cortesía de Vinothan N. Manoharan y David J. Pine.
"Los químicos tienen toda una tabla periódica de átomos para elegir cuando sintetizan moléculas y cristales, "agregó el coautor Vinothan Manoharan, Profesor asociado de Ingeniería Química y Física en Harvard. "Queríamos desarrollar un 'conjunto de construcción' similar para hacer moléculas y cristales a mayor escala".
Al desarrollar coloides con tales propiedades, los investigadores diseñaron "parches" químicos que pueden formar enlaces direccionales, permitiendo así el ensamblaje de "celosías" tridimensionales con solo unas pocas conexiones entre partículas, un elemento de diseño importante para muchos materiales avanzados. Sin unión direccional, tales estructuras son inestables.
El truco consistía en establecer capacidades de vinculación en los parches. Los científicos lo hicieron utilizando hebras simples de ADN, que los científicos de la Universidad de Nueva York y otros lugares han empleado anteriormente para organizar partículas pequeñas. En el método descrito en Nature, estas hebras de ADN servían como "extremos pegajosos" a los que se podían adherir parches de partículas.
"Lo que esto significa es que podemos crear partículas que se adhieran solo a los parches, y luego podemos programarlos para que solo tipos específicos de partículas se adhieran a esos parches, ", dijo el coautor y profesor de física de la Universidad de Nueva York, David Pine. Esto nos da una enorme flexibilidad para diseñar estructuras tridimensionales".
Los investigadores agregaron que la especificidad de las interacciones de ADN entre parches significa que los coloides con diferentes propiedades, como el tamaño, color, funcionalidad química, o conductividad eléctrica, podría conducir a la producción de nuevos materiales. Estos incluyen potencialmente redes tridimensionales cableadas eléctricamente o cristales fotónicos para mejorar las pantallas ópticas de una gama de productos de consumo y mejorar la velocidad de los chips de computadora.
