Llevando el juego de niños con bloques de construcción a un nivel completamente nuevo (la escala nanométrica), los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han construido matrices de nanopartículas multicomponentes de "superrejilla" 3D donde la disposición de las partículas es impulsada por la forma del pequeños bloques de construcción. El método utiliza moléculas enlazadoras hechas de hebras complementarias de ADN para superar la tendencia de los bloques a agruparse de una manera que separa los componentes de formas diferentes. Los resultados, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , son un paso importante en el camino hacia el diseño de materiales compuestos predecibles para aplicaciones en catálisis, otras tecnologías energéticas, y medicina.

"Si queremos aprovechar las propiedades prometedoras de las nanopartículas, necesitamos poder incorporarlos de manera confiable en materiales compuestos a mayor escala para aplicaciones del mundo real, "explicó el físico de Brookhaven Oleg Gang, quien dirigió la investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Nuestro trabajo describe una nueva forma de fabricar materiales compuestos estructurados utilizando enlaces direccionales de partículas con forma para un ensamblaje predecible, "dijo Fang Lu, el autor principal de la publicación.

La investigación se basa en la experiencia del equipo al vincular nanopartículas mediante hebras de ADN sintético. Como la molécula que lleva el código genético de los seres vivos, estas hebras sintéticas tienen bases complementarias conocidas por las letras de código genético G, C, T, y A, que se unen entre sí de una sola manera (G a C; T a A). Gang ha utilizado anteriormente ataduras de ADN complementarias unidas a nanopartículas para guiar el ensamblaje de una variedad de matrices y estructuras. El nuevo trabajo explora la forma de las partículas como un medio para controlar la direccionalidad de estas interacciones para lograr un orden de largo alcance en conjuntos y agrupaciones a gran escala.

Partículas esféricas, Gang explicó, normalmente se empaquetan juntos para minimizar el volumen libre. Enlazadores de ADN que utilizan hebras complementarias para atraer partículas, o hebras no complementarias para mantener las partículas separadas, pueden alterar ese empaquetamiento hasta cierto punto para lograr arreglos diferentes. Por ejemplo, Los científicos han experimentado colocando hebras de engarce complementarias en lugares estratégicos de las esferas para que las partículas se alineen y se unan de una manera particular. Pero no es tan fácil hacer nanoesferas con hebras de engarce colocadas con precisión.

"Exploramos una idea alternativa:la introducción de 'bloques' en forma de nanoescala decorados con ataduras de ADN en cada faceta para controlar la unión direccional de esferas con ataduras de ADN complementarias, "Dijo Gang.

Cuando los científicos mezclaron nanocubos recubiertos con ataduras de ADN en los seis lados con nanoesferas de aproximadamente el mismo tamaño, que había sido revestido con correas complementarias, estas dos partículas de formas diferentes no se segregaron como se hubiera esperado en base a su comportamiento de empaquetamiento normal. En lugar de, el "pegamento" de ADN evitó la separación al proporcionar una fuerza de atracción entre las caras planas de los bloques y las ataduras de las esferas, así como una fuerza repulsiva entre las ataduras que no se emparejan en objetos de la misma forma.

"El ADN nos permite hacer cumplir las reglas:las esferas atraen cubos (mutuamente); las esferas no atraen esferas; y los cubos no atraen cubos, "Gang dijo." Esto rompe la tendencia de empaquetamiento convencional y permite que el sistema se autoensamble en una matriz alterna de cubos y esferas, donde cada cubo está rodeado por seis esferas (una por cara) y cada esfera está rodeada por seis cubos ". Usando bloques octaédricos en lugar de cubos se logró una disposición diferente, con una esfera que se une a cada una de las ocho facetas triangulares de los bloques.

El método requirió algún procesamiento térmico para lograr el orden de largo alcance más uniforme. Y los experimentos con diferentes tipos de ataduras de ADN mostraron que tener cadenas de ADN flexibles era esencial para acomodar el emparejamiento de partículas de diferentes formas.

"Las capas flexibles de ADN 'ablandan' las partículas, lo que les permite encajar en arreglos donde las formas no coinciden geométricamente, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, ella añadió. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.

The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.

"Por último, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."