Los científicos han estado fabricando nanopartículas durante más de dos décadas en láminas bidimensionales, cristales tridimensionales y grupos aleatorios. Pero nunca han podido hacer que una hoja de nanopartículas se curve o pliegue en una estructura tridimensional compleja. Ahora, investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad de Missouri y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. han encontrado una manera sencilla de hacer exactamente eso.

Los hallazgos abren el camino para que los científicos diseñen membranas con sistemas eléctricos sintonizables, propiedades magnéticas y mecánicas que podrían usarse en electrónica e incluso pueden tener implicaciones para la comprensión de los sistemas biológicos.

Trabajando en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) y la Fuente de Fotones Avanzada (APS), dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicadas en Argonne, El equipo consiguió membranas de nanopartículas de oro recubiertas con moléculas orgánicas para que se enrosquen en tubos cuando son golpeadas por un haz de electrones. Igualmente importante, han descubierto cómo y por qué sucede.

Los científicos recubren nanopartículas de oro de unos pocos miles de átomos cada una con una molécula orgánica similar al aceite que mantiene unidas las partículas de oro. Cuando flotan sobre el agua, las partículas forman una lámina; cuando el agua se evapora, deja la sábana suspendida sobre un agujero. "Es casi como un parche de tambor, "dice Xiao-Min Lin, el científico de planta del Centro de Materiales a Nanoescala que dirigió el proyecto. "Pero es una membrana muy delgada hecha de una sola capa de nanopartículas".

Para su sorpresa, cuando los científicos ponen la membrana en el haz de un microscopio electrónico de barrido, se dobló. Se doblaba cada vez y siempre en la misma dirección.

"Eso despertó nuestra curiosidad, "dijo Lin." ¿Por qué se dobla en una dirección? "

La respuesta estaba en las moléculas orgánicas de la superficie. Son hidrofóbicos:cuando flotan en el agua tratan de evitar el contacto con ella, por lo que terminan distribuyéndose de manera no uniforme a lo largo de las capas superior e inferior de la hoja de nanopartículas. Cuando el haz de electrones golpea las moléculas en la superficie, hace que formen un enlace adicional con sus vecinas, creando una tensión asimétrica que hace que las membranas se plieguen.

Zhang Jiang y Jin Wang, Personal de rayos X en el APS, se le ocurrió una forma ingeniosa de medir la asimetría molecular, que a solo seis angstroms, o unos seis átomos de espesor, es tan pequeño que normalmente no se podría medir.

Subramanian Sankaranarayanan y Sanket Deshmukh en CNM utilizaron los recursos informáticos de alto rendimiento en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del DOE y la Instalación de Computación de Liderazgo de Argonne (ALCF), ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, analizar la superficie de las nanopartículas. Descubrieron que la cantidad de superficie cubierta por las moléculas orgánicas y la movilidad de las moléculas en la superficie tienen una influencia importante en el grado de asimetría de la membrana.

"Estos son resultados fascinantes, "dijo Fernando Bresme, profesor de física química en el Imperial College de Londres y un destacado teórico de la física de la materia blanda. "Aumentan significativamente nuestra capacidad para crear nuevas nanoestructuras con formas controladas".

En principio, los científicos podrían usar este método para inducir el plegamiento en cualquier membrana de nanopartículas que tenga una distribución asimétrica de moléculas de superficie. Dijo Lin, "Usas un tipo de molécula que odia el agua y confías en las superficies del agua para hacer que las moléculas se distribuyan de manera no uniforme, o podrías usar dos tipos diferentes de moléculas. La clave es que las moléculas deben distribuirse de manera no uniforme ".

El siguiente paso para Lin y sus colegas es explorar cómo pueden controlar la distribución molecular en la superficie y, por lo tanto, el comportamiento de plegado. Se imaginan zapping sólo una pequeña parte de la estructura con el haz de electrones, diseñar las tensiones para lograr patrones de flexión particulares.

"Tal vez puedas doblar estas cosas en estructuras de origami y todo tipo de geometrías interesantes, "Dijo Lin." Abre las posibilidades ".