Las nanopartículas son presagios versátiles de esperanza:pueden servir como agentes médicos activos o medios de contraste, así como como medio de almacenamiento electrónico o refuerzo para materiales estructurales.

Investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam-Golm y de la Universidad Tecnológica de Eindoven en los Países Bajos hicieron una contribución fundamental para hacer que estas nanopartículas sean utilizables para estas diversas aplicaciones. Mientras estudiaba nanopartículas de magnetita, desarrollaron un modelo de cómo se forman las partículas cristalinas de un material en función de sus propiedades físicas. Algunas bacterias utilizan nanopartículas de magnetita para orientarse a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra. Comprender cómo crecen podría ser útil para generar nanopartículas con las propiedades deseadas.

En muchos aspectos, El diseño de materiales se asemeja a la crianza de niños:muchas propiedades están predeterminadas por la naturaleza, otros se adquieren durante la educación o el aprendizaje, pero el aspecto importante ocurre desde el principio. Un equipo encabezado por Damien Faivre, Líder de un grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, ha investigado el vivero de nanopartículas de magnetita.

Las partículas de magnetita que se organizan en finas agujas sirven como brújula para algunas bacterias marinas cuando se orientan a lo largo del campo magnético de la Tierra en su búsqueda de las mejores condiciones de vida. Sin embargo, Las partículas sintéticas de magnetita también se utilizan en tintas, líquidos magnéticos, y agente de contraste médico, sino también como elementos de memoria en medios de almacenamiento de datos. Con la ayuda de sus observaciones de nanopartículas de magnetita, Los investigadores de Potsdam han ampliado la teoría establecida de cómo los cristales de un material se forman a partir de una solución.

El modelo clásico no puede explicar la formación de muchos cristales.

En una solución sobresaturada, varios átomos y moléculas se aglomeran espontáneamente, es decir, más o menos al azar, en una semilla que luego crece más. Según la representación clásica del crecimiento de cristales, la semilla captura átomos o moléculas de la solución. En ese punto, o un cristal perfectamente ordenado puede formarse directamente o un amorfo, y así desordenado, primero se forma el conglomerado, que luego se reorganiza en un cristal.

¿En cuál de las dos vías evoluciona el cristal? depende de cuál exhiba el nivel de energía más bajo:la fase cristalina o la desordenada. Las propiedades determinantes aquí son las energías superficiales de las variantes cristalina y desordenada, así como las cantidades de energía que se liberan cuando los átomos o moléculas se unen a una u otra forma. Una energía de superficie alta impulsa el gasto de energía para el crecimiento de la fase dada mucho más alto, mientras que un gran rendimiento energético de los enlaces en evolución lo reduce.

"A lo largo de los años ha habido cada vez más indicios de que numerosos minerales no crecen de acuerdo con este modelo", dice Damien Faivre. "Al parecer, no toman ni átomos ni moléculas individuales durante su formación, sino que capturan partículas primarias o grupos de hasta unos pocos nanómetros de tamaño que solo se forman temporalmente ". Eso es más o menos lo que sucede cuando se forman cristales de carbonato de calcio y fosfato de calcio que endurecen los huesos o las conchas de moluscos. Faivre y su equipo han establecido que las nanopartículas de magnetita también crecen absorbiendo pequeñas partículas primarias de solo dos nanómetros de tamaño, lo que los investigadores observaron con un microscopio electrónico de transmisión operado a una temperatura muy por debajo de cero que, por lo tanto, muestra estructuras especialmente pequeñas.

La estabilidad de las partículas primarias se convierte en el factor decisivo

"Utilizando el modelo clásico, es imposible determinar si se forman nanocristales más grandes a partir de las nanopartículas pequeñas directamente o si se forma primero una fase desordenada ", dice Damien Faivre. Sin embargo, si quieres cultivar nanopartículas, debe poder responder a esta pregunta. Así que él y sus colegas desarrollaron un nuevo modelo (que tiene en cuenta las partículas primarias).

En el nuevo modelo, la estabilidad de las nanopartículas se convierte en un factor importante, tan importante que incluso puede revertir la predicción del modelo clásico. "Cuanto más estables sean las partículas primarias, cuanto más probable se forme directamente una estructura cristalina ", explica Faivre. "En muchos casos, cuando debe formarse una fase desordenada bajo el modelo clásico, nuestro modelo da como resultado un cristal que se forma directamente ". Este es exactamente el caso de la magnetita.

Investigar las partículas primarias es el siguiente paso

Que los cristales crezcan según el modelo clásico o el propuesto por el equipo de Damien Faivres depende de si están involucrados átomos y moléculas o las minúsculas partículas primarias. "O sabes esto a través de observaciones, como en nuestro caso, o lo anticipa con la ayuda de las propiedades físicas del material ", explica Faivre.

Sin embargo, los investigadores aún tienen numerosas preguntas sin resolver que responder para pasar de estos conocimientos sobre el vivero de nanopartículas a un manual de instrucciones para dirigir su crecimiento. "En el siguiente paso, investigaremos las partículas primarias y sus propiedades con mayor precisión ", dice Damien Faivre. Si los investigadores pueden controlar la estabilidad de las partículas asimiladas por una nanopartícula en crecimiento, también pueden tener un medio para influir en las propiedades de la nanopartícula. Esto no es diferente de lo que ocurre con los jóvenes niños en crecimiento:en qué se convierten depende de cómo se alimentan.