El cristal más complejo diseñado y construido a partir de nanopartículas ha sido informado por investigadores de la Universidad Northwestern y confirmado por investigadores de la Universidad de Michigan. El trabajo demuestra que algunas de las estructuras más complicadas de la naturaleza pueden ensamblarse deliberadamente si los investigadores pueden controlar las formas de las partículas y la forma en que se conectan.

"Esta es una demostración de tour de force de lo que es posible cuando uno aprovecha el contenido de información y la química del ADN y lo combina con nanopartículas que son de un tamaño y una forma, ", Dijo Chad A. Mirkin de Northwestern.

Mirkin es director del grupo de investigación que descubrió dichos materiales y pionero del concepto de cristalización coloidal programable con ácidos nucleicos. Es profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg.

La nanotecnología promete unir materiales de nuevas formas, forjando nuevas capacidades por diseño. En 1996, Mirkin introdujo el concepto de usar nanopartículas como átomos y ADN sintético, el modelo de la vida, como un enlace químicamente programable para fabricar materiales de diseño basados ​​en la capacidad de las partículas para reconocerse entre sí a través de secuencias inmovilizadas en sus superficies.

Una aplicación potencial para cristales construidos con nanopartículas, como estos recién reportados, es el control de la luz:las nanopartículas interactúan bien con las ondas de luz porque son de tamaño similar. Esto podría conducir a materiales que pueden cambiar de color o patrones a pedido o bloquear ciertas longitudes de onda de luz. mientras transmite o amplifica a otros. Nuevos tipos de lentes, son posibles láseres e incluso materiales de camuflaje similares a Star Trek.

"Podemos construir estos bloques de construcción complejos que permitan a los investigadores fabricar materiales que no se pueden obtener de forma natural a partir de átomos y moléculas". "dijo Sharon Glotzer, el profesor universitario Stuart W. Churchill de ingeniería química en la U-M. Ella dirigió la parte U-M del estudio.

El estudio, titulado "Cristales coloidales de clatrato, "se publicará el 3 de marzo en la revista Ciencias . Mirkin y Glotzer son coautores del artículo.

En Quimica, Los clatratos son conocidos por sus cámaras que pueden albergar pequeñas moléculas. Se han utilizado para capturar contaminantes del medio ambiente, por ejemplo. Los grupos de nanopartículas también dejan espacio para la carga, que Mirkin sugiere que podría ser útil para almacenar, entrega y detección de materiales para el medio ambiente, Aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico médico.

Mientras que los materiales naturales exhiben una vertiginosa variedad de estructuras cristalinas, la mayoría de los laboratorios de nanotecnología luchan por superar los diseños cúbicos. Las estructuras producidas por Haixin Lin, ahora un becario postdoctoral en el laboratorio de Mirkin, son muy superiores.

Las nuevas estructuras se formaron en grupos de hasta 42 partículas, esbozar poliedros complejos como el gran dodecaedro. Estos grupos luego se conectaron en estructuras de cristal en forma de jaula llamadas clatratos.

Todavía, la historia no es el cristal en sí:es cómo se hizo y caracterizó el cristal. El grupo de Mirkin ha sido pionero en muchas estructuras mediante el uso de hebras de ADN como una especie de pegamento inteligente, uniendo nanopartículas juntas de una manera particular. La partícula es tanto un bloque de construcción como una plantilla que dirige las interacciones de enlace. Mientras tanto, El grupo de Glotzer ha defendido el papel de la forma de nanopartículas para guiar el ensamblaje de estructuras cristalinas a través del modelado por computadora.

"El grupo de Chad tuvo la idea de explorar nuevas fases al observar las predicciones que habíamos hecho, "dijo Glotzer, el profesor universitario distinguido de ingeniería John Werner Cahn. "Un día, Recibí una llamada telefónica de Chad. '¡Acabamos de conseguir estas increíbles estructuras!' él dijo. Y me envió un mensaje de texto micrografía tras micrografía, seguían apareciendo. Dijo que tenemos que encontrar una manera de asignar definitivamente sus estructuras ".

Las imágenes del microscopio electrónico mostraron clatratos que se formaron en gran parte gracias a la forma de las nanopartículas de oro. La forma bipiramidal, como dos pirámides aplanadas pegadas en sus bases, estaba naturalmente inclinado a ensamblarse en estructuras de clatrato. Pero para hacerlo necesitaban hebras de ADN adheridas a sus costados con la longitud justa. Cuando es demasiado corto las hebras de ADN se desordenaron, estructuras mal definidas, mientras que las secuencias más largas permitieron que se formaran los clatratos.

Lin hizo sistemáticamente las bipirámides de oro con longitudes de borde de 250 nanómetros, la mitad de la longitud de onda de la luz azul. Luego los modificó con secuencias de ADN de diferentes longitudes para determinar la construcción más optimizada para formar las estructuras cristalinas observadas.

Cuando vio los patrones exóticos en las imágenes del microscopio electrónico, los trajo a Mirkin, que estaba emocionado e intrigado a la vez.

"Son impresionantes, nadie había hecho estructuras de este tipo antes, "dijo Mirkin, director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern (IIN).

Estaba claro que habían hecho fases nunca antes observadas, pero conseguir la estructura asignada con precisión era fundamental.

Después de que Mirkin alertó a Glotzer, Sangmin Lee, un estudiante de doctorado en ingeniería química, y Michael Engel, un becario postdoctoral, ambos en U-M, Bipirámides impresas en 3D y ensambladas para explorar cómo podrían hacer las formas en las micrografías electrónicas. Luego, ellos y sus compañeros de trabajo construyeron un modelo informático para confirmar que las nanopartículas unidas al ADN formarían estructuras de clatrato.

"Para estar realmente seguro, tuvimos que hacer una simulación donde tienes las formas, pones la interacción del ADN y ambos construyen la cosa y ven si es estable en la computadora, "Dijo Glotzer." También arrojamos las partículas en una caja para ver si se autoensamblaron en el mismo tipo de condiciones que usaron en el laboratorio ".