Los nanocientíficos líderes crearon hermosos patrones de mosaico con nanocristales planos, pero se quedaron con un misterio:¿Por qué algunos conjuntos de cristales se dispusieron en una alternancia, estilo espina de pescado? Descubrir, recurrieron a expertos en simulación por computadora en la Universidad de Michigan y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El resultado proporciona a los investigadores de nanotecnología una nueva herramienta para controlar cómo los objetos una millonésima parte del tamaño de un grano de arena se organizan en materiales útiles, y un medio para descubrir el resto de la caja de herramientas. Un artículo sobre la investigación se publica en línea el 12 de mayo en Química de la naturaleza .

"La emoción en esto no está en el patrón de espina de pescado, se trata de la combinación de experimentos y modelos, y cómo ese enfoque nos permite abordar un problema muy difícil, "dijo Christopher Murray, el profesor de la Universidad Richard Perry y profesor de química en la Universidad de Pennsylvania.

El grupo de Murray es conocido por fabricar nanocristales y organizarlos en superestructuras de cristal más grandes.

Por último, Los investigadores quieren modificar parches en nanopartículas de diferentes formas para inducirlos a patrones más complejos. El objetivo es un método que permita a las personas imaginar lo que les gustaría hacer y luego diseñar un material con las propiedades adecuadas para el trabajo.

"Mediante la ingeniería de interacciones a nanoescala, podemos comenzar a ensamblar estructuras de destino de gran complejidad y funcionalidad en la macroescala, "dijo Sharon Glotzer de U-M, el Profesor Colegiado de Ingeniería Química Stuart W. Churchill.

Glotzer introdujo el concepto de "parches" de nanopartículas en 2004. Su grupo utiliza simulaciones por computadora para comprender y diseñar los parches.

Recientemente, El equipo de Murray hizo patrones con nanocristales planos hechos de metales pesados, conocido por los químicos como lantánidos, y átomos de flúor. Los lantánidos tienen propiedades valiosas para la energía solar y las imágenes médicas, como la capacidad de convertir entre luz de alta y baja energía.

Comenzaron por descomponer los productos químicos que contienen átomos de un metal lantánido y flúor en una solución, y el lantánido y el flúor empezaron a formar cristales de forma natural. También en la mezcla había cadenas de carbono e hidrógeno que se pegaban a los lados de los cristales, detener su crecimiento en tamaños de alrededor de 100 nanómetros, o 100 millonésimas de milímetro, en las dimensiones más grandes. Al usar lantánidos con diferentes radios atómicos, Podían controlar las caras superior e inferior de los cristales hexagonales para que fueran desde mucho más largos que los otros cuatro lados hasta inexistentes, resultando en una forma de diamante.

Para formar patrones en mosaico, el equipo extendió una fina capa de nanocristales y disolvente sobre un fluido espeso. A medida que el solvente se evaporó, los cristales tenían menos espacio disponible, y comenzaron a empacar juntos.

Las formas de diamantes y los hexágonos muy largos se alinearon como se esperaba, los diamantes forman una cuadrícula de estilo Argyle y los hexágonos coinciden con sus bordes más largos como un panal de abejas en escorzo. Los hexágonos cuyos lados tenían casi la misma longitud deberían haber formado un patrón similar de panal aplastado, pero en vez, se alinearon en más complicado, alternando el estilo de la raspa de arenque.

"Siempre que vemos algo que no sigue el patrón más simple posible, tenemos que preguntar por qué "Dijo Murray.

Le plantearon la pregunta al equipo de Glotzer.

"Han sido líderes mundiales en comprender cómo estas formas podrían funcionar en escalas nanométricas, y no hay muchos grupos que puedan hacer los cristales que hacemos, ", Dijo Murray." Parecía natural unir estas fortalezas ".

Glotzer y su grupo construyeron un modelo de computadora que podía recrear el autoensamblaje de la misma gama de formas que había producido Murray. Las simulaciones mostraron que si los hexágonos equiláteros interactuaban entre sí solo a través de sus formas, la mayoría de los cristales formaron el patrón de panal de abejas acortado, no la espina de pescado.

"Fue entonces cuando dijimos, 'Okey, debe haber algo más que hacer. No es solo un problema de empaque, '", Dijo Glotzer.

Su equipo que incluía al estudiante de posgrado de la UM, Andrés Millán, y al científico investigador Michael Engel, luego comenzó a jugar con las interacciones entre los bordes de las partículas. Descubrieron que si los bordes que formaban los puntos eran más pegajosos que los otros dos lados, los hexágonos se colocarían naturalmente en el patrón de espina de pescado.

Los equipos sospecharon que la fuente de la pegajosidad eran esas cadenas de carbono e hidrógeno, tal vez se adhirieron a los bordes de las puntas con mayor facilidad. Dado que la experimentación aún no ofrece una forma de medir la cantidad de cadenas de hidrocarburos en los lados de partículas tan pequeñas, Murray le preguntó a Ju Li, ahora el profesor de Battelle Energy Alliance de ciencia e ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, para calcular cómo las cadenas se unirían a los bordes a un nivel mecánico cuántico.

El grupo de Li confirmó que debido a la forma en que las diferentes facetas atraviesan la red de los átomos de metal y flúor, más cadenas de hidrocarburos podrían adherirse a los cuatro bordes que conducían a los puntos que a los dos lados restantes. Como resultado, las partículas se vuelven irregulares.

"Nuestro estudio muestra un camino a seguir haciendo cambios muy sutiles en la arquitectura de bloques de construcción y logrando un cambio muy profundo en el patrón autoensamblado más grande, "Dijo Glotzer." El objetivo es tener perillas que puedas cambiar solo un poco y obtener un gran cambio en la estructura, y este es uno de los primeros artículos que muestra un camino a seguir sobre cómo hacerlo ".

El artículo se titula "Competencia de parches de forma e interacción para nanoplacas autoensambladas".

Murray también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Glotzer también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ciencia e ingeniería macromolecular, física y física aplicada. Li también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales.