Las células animales y vegetales son ejemplos destacados de cómo la naturaleza construye unidades cada vez más grandes en un de manera preprogramada utilizando moléculas como bloques de construcción. En nanotecnología, Los científicos imitan esta técnica "de abajo hacia arriba" mediante el uso de la capacidad de nanomateriales adecuadamente estructurados para "autoensamblarse" en arquitecturas de orden superior. Aplicando este concepto, científicos de polímeros de Bayreuth, Aquisgrán Jena, Maguncia, y Helsinki han publicado recientemente un artículo en la prestigiosa revista Naturaleza que describe un nuevo principio para el autoensamblaje de nanopartículas modeladas. Este principio puede tener implicaciones importantes para la comprensión fundamental de dichos procesos, así como de las tecnologías futuras.

El equipo de investigación está dirigido por el profesor Axel Müller, quien fue titular de la Cátedra de Química Macromolecular II en la Universidad de Bayreuth hasta su jubilación en 2012; ahora es miembro del Gutenberg Research College de la Universidad de Mainz. Los otros miembros del equipo son el Dr. André Gröschel (anteriormente en la Universidad de Bayreuth, ahora Universidad Aalto de Helsinki), Tina Löbling y Dr. Holger Schmalz (Universidad de Bayreuth), Dr. Andreas Walther (Centro de investigación de materiales interactivos de la Universidad de Aquisgrán), y el profesor junior Dr. Felix Schacher (Universidad Friedrich Schiller de Jena). La investigación se llevó a cabo en la Universidad de Bayreuth y fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) dentro del Collaborative Research Center 840 "From Particulate Nano-Systems to Mesotechnology".

El proceso de autoensamblaje descrito en Naturaleza comienza con macromoléculas en forma de cadena con un tamaño en el rango de 10 a 20 nanómetros. En Quimica, tales macromoléculas se denominan terpolímeros tribloque. Están compuestos por tres secciones lineales (bloques) conectados entre sí en secuencia. Se generan mediante un proceso sintético especial, es decir., la llamada "polimerización viva, "y están fácilmente disponibles para los investigadores. El equipo de investigación pudo guiar las macromoléculas tribloque en nanopartículas blandas con un diámetro de aproximadamente 50 nanómetros. La elección de los solventes jugó un papel clave en este proceso de autoensamblaje macromolecular. Los solventes fueron seleccionados con precisión y utilizado de manera que la solubilidad variable de los tres bloques y la incompatibilidad de los polímeros entre sí contribuyan significativamente a la calidad de la estructura interior deseada de las nanopartículas.

Los científicos aplicaron esta técnica a dos tipos de terpolímeros tribloque. Estos diferían con respecto a las propiedades químicas de los bloques intermedios. Las secuencias de bloques de las macromoléculas fueron A-B-C y A-D-C, respectivamente. El primero da como resultado nanopartículas con un solo sitio de enlace y tiende a formar grupos esféricos, mientras que este último crea nanopartículas con dos sitios de enlace y, por lo tanto, tiende a formar superestructuras lineales. En tono rimbombante, en ambos casos, la estructura de las nanopartículas está preprogramada por la estructura química de la macromolécula fuente de la misma manera que la estructura de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos.

Sin embargo, el proceso de autoensamblaje no termina con las nanopartículas. Si las nanopartículas formadas por cada tipo de macromolécula se dejaran libres, las superestructuras esféricas resultarían, por un lado, y las superestructuras lineales, por el otro. El equipo de Müller ha desarrollado e implementado un enfoque diferente. Las nanopartículas con uno y dos sitios de unión se mezclan para que se agreguen en una superestructura completamente nueva en un proceso de ensamblaje conjunto. En la superestructura final, las nanopartículas que se originan a partir de las moléculas A-B-C y las nanopartículas formadas por las moléculas A-D-C se alternan en un patrón definido con precisión.

Cuando se observa con un microscopio electrónico de transmisión, la nueva superestructura se parece mucho a una larva de oruga, porque también consta de una serie de elementos claramente separados, secciones ordenadas regularmente. Por lo tanto, el equipo de investigación de Müller ha acuñado el término "micelas de oruga" para este tipo de superestructuras ensambladas.

Los resultados de la investigación publicados recientemente en Naturaleza representan un gran avance en el campo de la estructuración jerárquica y la nanoingeniería, ya que permite crear nuevos materiales mediante el autoensamblaje de partículas preprogramadas. Esto podría cambiar las reglas del juego porque hasta ahora solo los procedimientos de arriba hacia abajo, es decir., extraer una microestructura de un complejo más grande, son procesos de estructuración ampliamente aceptados. "Las limitaciones de esta técnica serán demasiado evidentes en un futuro próximo, ", explicó Müller." Sólo en raras ocasiones es posible generar estructuras complejas en el rango de los nanómetros ".

Sin embargo, Un principio ascendente de autoensamblaje basado en el empleado en la naturaleza bien podría representar el mejor camino a seguir. Un factor que lo hace particularmente atractivo es la gran cantidad de macromoléculas, que están fácilmente disponibles como bloques de construcción. Pueden utilizarse para incorporar propiedades específicas en las superestructuras resultantes, como la sensibilidad a los estímulos ambientales (por ejemplo, temperatura, luz, campos eléctricos y magnéticos, etc.) o darles la capacidad de encenderse y apagarse a voluntad. Las posibles aplicaciones incluyen la nanolitografía y la administración de medicamentos en los que se puede programar previamente el momento y el lugar de liberación de las sustancias activas. Aquí, la similitud con los principios estructurales de las células animales y vegetales vuelve a ser evidente, donde varias propiedades están compartimentadas en áreas de espacio limitado.

Las macromoléculas que llevan diversos segmentos funcionales pueden ser cientos de veces más pequeñas que un micrómetro. Las superestructuras que producen tales macromoléculas tienen una resolución correspondientemente alta. "Tecnologías futuras, como células artificiales hechas a medida, transistores, o componentes para micro / nano-robótica - pueden beneficiarse significativamente de esta estructura particularmente delicada, ", explicó Müller." Los resultados de la investigación que publicamos en Naturaleza todavía no tiene ninguna aplicación inmediata en el mundo real. Sin embargo, Cuanto mejor comprendamos los procesos ascendentes, comenzando con moléculas en el rango de nanómetros y pasando a los niveles jerárquicos más altos en el rango de micrómetros, las tecnologías futuras más probables estarán a nuestro alcance. "Las micelas de oruga no son de ninguna manera las únicas superestructuras que se pueden producir con las nanopartículas autoensamblables". Estas nanopartículas blandas se pueden combinar con nanopartículas y micropartículas inorgánicas o biológicas para crear materiales previamente desconocidos con funciones específicas. El número de combinaciones posibles es prácticamente infinito, "concluyó Müller.