Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. Acaban de dar un gran paso hacia el objetivo de diseñar nanomateriales dinámicos cuya estructura y propiedades asociadas se pueden cambiar a pedido. En un papel que aparece en Materiales de la naturaleza , describen una forma de reorganizar selectivamente las nanopartículas en matrices tridimensionales para producir diferentes configuraciones, o fases, de los mismos nanocomponentes.

"Uno de los objetivos del autoensamblaje de nanopartículas ha sido crear estructuras por diseño, "dijo Oleg Gang, quien dirigió el trabajo en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Hasta ahora, la mayoría de las estructuras que hemos construido han sido estáticas. Ahora estamos tratando de lograr un objetivo aún más ambicioso:fabricar materiales que se puedan transformar para que podamos aprovechar las propiedades que surgen con los reordenamientos de las partículas ".

La capacidad de dirigir reordenamientos de partículas, o cambios de fase, permitirá a los científicos elegir las propiedades deseadas, digamos, la respuesta del material a la luz o un campo magnético, y cámbielos según sea necesario. Estos materiales que cambian de fase podrían dar lugar a nuevas aplicaciones, como la recolección dinámica de energía o los materiales ópticos sensibles.

Reordenamiento dirigido por el ADN

Este último avance en ingeniería a nanoescala se basa en el trabajo anterior del equipo en el desarrollo de formas de lograr que las nanopartículas se autoensamblen en matrices compuestas complejas. incluyendo unirlos con ataduras construidas con hebras complementarias de ADN sintético. En este caso, comenzaron con un ensamblaje de nanopartículas ya unidas en una matriz regular por la unión complementaria de la A, T, GRAMO, y bases C en ataduras de ADN monocatenario, luego añadió hebras de ADN "reprogramadoras" para alterar las interacciones entre partículas.

"Sabemos que las propiedades de los materiales construidos a partir de nanopartículas dependen en gran medida de sus disposiciones, "dijo Gang." Anteriormente, incluso hemos podido manipular las propiedades ópticas acortando o alargando las ataduras del ADN. Pero ese enfoque no nos permite lograr una reorganización global de toda la estructura una vez que ya está construida ".

En el nuevo enfoque, las hebras de ADN reprogramadas se adhieren a sitios de unión abiertos en las nanopartículas ya ensambladas. Estas hebras ejercen fuerzas adicionales sobre las nanopartículas unidas.

"Al introducir diferentes tipos de hebras de ADN reprogramadas, modificamos las capas de ADN que rodean las nanopartículas, "explicó el becario postdoctoral de CFN Yugang Zhang, el autor principal del artículo. "La alteración de estas capas puede cambiar de forma selectiva las interacciones partícula-partícula, ya sea aumentando tanto la atracción como la repulsión, o aumentando separadamente sólo la atracción o sólo la repulsión. Estas interacciones reprogramadas imponen nuevas restricciones a las partículas, obligándolos a lograr una nueva organización estructural para satisfacer esas limitaciones ".

Usando su método, el equipo demostró que podían cambiar su matriz de nanopartículas original, la fase "madre", en múltiples fases hijas diferentes con control de precisión.

Esto es bastante diferente de los cambios de fase provocados por condiciones físicas externas como la presión o la temperatura, Gang dijo:que normalmente dan como resultado cambios de fase única, oa veces secuenciales. "En esos casos, para pasar de la fase A a la fase C, primero tienes que cambiar de A a B y luego de B a C, ", dijo Gang." Nuestro método nos permite elegir qué fase hija queremos e ir directamente a esa porque la fase hija está completamente determinada por el tipo de hebras de reprogramación de ADN que usamos ".

Los científicos pudieron observar las transformaciones estructurales en varias fases hijas utilizando una técnica llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño in situ en la fuente de luz del sincrotrón nacional. otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que operó en Brookhaven Lab desde 1982 hasta septiembre pasado (ahora reemplazada por NSLS-II, que produce rayos X 10, 000 veces más brillante). El equipo también utilizó modelos computacionales para calcular cómo diferentes tipos de hebras de reprogramación alterarían las interacciones entre partículas. y encontraron que sus cálculos concordaban bien con sus observaciones experimentales.

"La capacidad de cambiar dinámicamente la fase de una matriz de superrejilla completa permitirá la creación de materiales reprogramables y conmutables en los que múltiples, diferentes funciones se pueden activar bajo demanda, ", dijo Gang." Nuestro trabajo experimental y el análisis teórico que lo acompaña confirman que la reprogramación de interacciones mediadas por ADN entre nanopartículas es una forma viable de lograr este objetivo ".