(Phys.org) —Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que las moléculas biológicas y los nanocristales sintéticos eran similares solo en tamaño. Ahora, Los químicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han descubierto que pueden agregar reactividad a la lista de rasgos compartidos. Los átomos de un nanocristal pueden cooperar entre sí para facilitar la unión o el cambio, un fenómeno que se encuentra ampliamente en moléculas biológicas.

El hallazgo podría catalizar la fabricación de nanocristales para sensores inteligentes, células solares, diminutos transistores para ordenadores ópticos, e imágenes médicas. Dirigido por el profesor de química Prashant Jain, el equipo publicó sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"En geológico, entornos industriales y domésticos, los granos a nanoescala de cualquier material experimentan transiciones químicas cuando se someten a condiciones reactivas, "Dijo Jain." La oxidación del hierro con el tiempo y la formación de diamantes a partir del carbono son ejemplos de dos transiciones que ocurren comúnmente. Comprender cómo ocurren estas transiciones en la escala de los granos más pequeños del material es una de las principales motivaciones de nuestro trabajo ".

Los científicos pueden aprovechar estas transiciones para hacer nanocristales que se ajusten a una estructura particular. Pueden hacer un nanocristal de un material y transformarlo en otro material, esencialmente utilizando el marco de nanocristales original como plantilla para crear un nanocristal del nuevo material con el mismo tamaño y forma. Esto permite a los investigadores crear nanocristales de nuevos materiales en formas y estructuras que de otra manera no podrían.

En el nuevo estudio, los investigadores transformaron pequeños cristales del material seleniuro de cadmio en cristales de seleniuro de cobre. Los nanocristales de seleniuro de cobre tienen una serie de propiedades interesantes que se pueden utilizar para la recolección de energía solar, computación óptica y cirugía láser. La transformación a partir de seleniuro de cadmio crea nanocristales con una pureza difícil de obtener con otros métodos.

Los investigadores, incluida la estudiante de posgrado Sarah White, utilizó técnicas avanzadas de microscopía y espectroscopía para determinar la dinámica de los átomos dentro de los cristales durante la transformación y descubrió que la transformación no ocurre como un proceso de difusión lento, sino como un cambio rápido gracias a la cooperativa.

Los investigadores vieron que una vez que el nanocristal de seleniuro de cadmio ha absorbido algunas impurezas iniciales de "semillas" de cobre, los átomos en el resto de la red pueden cooperar para intercambiar rápidamente el resto del cadmio por cobre. Jain compara los cristales con la hemoglobina, la molécula de los glóbulos rojos que transporta oxígeno. Una vez que una molécula de oxígeno se ha unido a la hemoglobina, otros sitios de unión dentro de la hemoglobina cambian ligeramente de conformación para captar más oxígeno con mayor facilidad. Él postula que de manera similar, las impurezas de cobre pueden causar un cambio estructural en el nanocristal, facilitando la infiltración de más iones de cobre en el nanocristal en una cascada rápida.

Los investigadores reprodujeron el experimento con plata, además del cobre, y vi similar, aunque un poco menos rápido, comportamiento cooperativo.

Ahora, El equipo de Jain está utilizando sus imágenes avanzadas para observar las transiciones que ocurren en nanocristales individuales, en tiempo real.

"Tenemos un microscopio óptico sofisticado en nuestro laboratorio, que ahora nos ha permitido atrapar un solo nanocristal en el acto de hacer una transición, ", Dijo Jain." Esto nos permite aprender detalles ocultos sobre cómo se desarrolla realmente la transición. También estamos aprendiendo cómo un nanocristal se comporta de manera diferente a otro ".

Próximo, Los investigadores planean explorar fenómenos cooperativos similares a biomoléculas en otros materiales y procesos de estado sólido. Por ejemplo, La cooperación en los procesos catalíticos podría tener importantes implicaciones para la energía solar o la fabricación de productos químicos especiales costosos.

"A largo plazo, estamos interesados ​​en explotar el comportamiento cooperativo para diseñar materiales artificiales inteligentes que respondan de una manera similar a un interruptor como lo hace la hemoglobina en nuestro cuerpo, "Dijo Jain.