Los materiales hechos de nanopartículas son prometedores para innumerables aplicaciones, desde una producción mejorada de energía solar hasta pantallas táctiles perfectas. El desafío en la creación de estos maravillosos materiales es organizar las nanopartículas en arreglos ordenados.

Nanopartículas de magnetita, el material magnético más abundante en la tierra, se encuentran en organismos vivos desde bacterias hasta aves. Los nanocristales de magnetita se autoensamblan en finas agujas de brújula en el organismo que lo ayudan a navegar.

Colaborando con nanoquímicos dirigidos por Rafal Klajn en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel, quien descubrió que los nanocubos de magnetita pueden autoensamblarse en superestructuras helicoidales bajo ciertas condiciones, El químico teórico de la Universidad de Illinois en Chicago, Petr Kral, y sus estudiantes simularon el fenómeno y explicaron las condiciones en las que puede ocurrir. El estudio conjunto está en línea en Science Express antes de la impresión en la edición del 5 de septiembre de Ciencias .

Los investigadores de Weizmann disolvieron los nanocristales y expusieron la solución a un campo magnético externo. A medida que la solución se evaporó, Se formaron cadenas helicoidales de nanopartículas. Asombrosamente, las hélices espirales eran quirales, es decir, ya sea zurdos o diestros, a pesar de que las nanopartículas en sí mismas no son quirales. Los conjuntos de hélices densamente empaquetados tendían a adoptar la misma mano.

El equipo de UIC de Kral modeló el autoensamblaje para determinar cómo se formaron las hélices en los experimentos de sus colaboradores y por qué las hélices tenían quiralidad.

Descubrieron que el autoensamblaje en hélices quirales es el resultado de las fuerzas en competencia que actúan sobre ellas:la fuerza de Zeeman del campo magnético externo, fuerza magnética dipolo-dipolo, fuerza direccional magneto-anisotrópica, fuerzas de van der Waals débilmente atractivas, y otros. La química de los ligandos de nanopartículas, el solvente, y la temperatura también puede influir.

En presencia de un campo magnético externo, los nanocubos superparamagnéticos, que son aleatoriamente magnéticos y pueden voltearse con los cambios de temperatura, se convirtieron en pequeños imanes con diferentes simetrías de las fuerzas en competencia que actúan entre ellos. Como resultado, cuando dos cubos están cara a cara, tienden a inclinarse entre sí, formando un pequeño ángulo hacia la derecha o hacia la izquierda:la semilla de una hélice quiral, a medida que más nanocubos se alinean con los dos primeros.

El análisis de Kral utilizó un algoritmo informático de Monte Carlo, que se basa en un muestreo aleatorio repetido, ejecutar simulaciones muchas veces.

"Tuvimos que escribir un nuevo código informático Monte Carlo eficiente que describe todos los términos necesarios, todos los valores, y luego explicar cómo ocurre el comportamiento altamente inusual que observó Klajn, el autoensamblaje de las hélices, "Dijo Kral.