Cuando traes una caja a casa de la mueblería, no esperas los tornillos, listones y otras piezas para converger mágicamente en una cama o mesa. Sin embargo, este autoensamblaje ocurre todos los días en la naturaleza. Nada le dice a los átomos que se unan; nada le dice al ADN cómo formarse. Los materiales vivos contienen las mismas instrucciones y la capacidad de convertirse en un todo más grande.

"El autoensamblaje es el proceso universal mediante el cual se unen estructuras muy complejas en la naturaleza. Son dinámicas, son multifuncionales, son adaptables, "dijo Nick Kotov, un investigador de la Universidad de Michigan.

Desbloquear el autoensamblaje podría permitirnos crear materiales que no existen de forma natural y que actualmente no podemos crear nosotros mismos.

Utilizando el autoensamblaje, los científicos podrían crear materiales personalizados que sean tanto versátiles como los sistemas biológicos como resistentes como los industriales. Estos materiales podrían usarse en mejores purificadores de agua, células solares más eficientes, catalizadores más rápidos que mejoran la fabricación, y electrónica de próxima generación. El autoensamblaje en la fabricación también podría conducir a procesos más baratos y eficientes.

"Queremos fabricar materiales sintéticos que compitan con lo que vemos en la naturaleza, "dijo Ron Zuckermann, investigador de la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE). "Los sistemas biológicos son muy sensibles y frágiles. Queremos fabricar materiales resistentes de grado industrial que puedan hacer las mismas cosas [que ellos]".

Pero los científicos no pueden crear cosas que combinen lo mejor de las características biológicas y sintéticas de cualquier sustancia. Es probable que las nanopartículas sean la clave. Cuando los científicos ensamblan estas pequeñas partículas en láminas o tubos, el producto final suele tener solo un átomo de altura. Por su tamaño, Las nanopartículas actúan de manera diferente a grandes cantidades del mismo material. Por ejemplo, un trozo de oro no dispersa la luz como lo hace un diamante. Pero las nanopartículas de oro dispersan la luz muy bien, haciéndolos útiles en microscopios electrónicos. A diferencia de los materiales regulares, los científicos pueden controlar las características de las nanopartículas cambiando su tamaño y forma.

Ahora, la industria solo puede usar un tipo de nanopartícula a la vez. Eso es lo que ves en los protectores solares y las telas que usan nanopartículas. Sin embargo, para construir materiales personalizados, los científicos necesitan hacer que interactúen varios tipos de nanopartículas. En la actualidad, la única forma de hacer esto es construir estos materiales partícula por partícula. Este es un proceso que requiere mucho tiempo.

Para expandir las aplicaciones potenciales de las nanopartículas, La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía está apoyando la investigación para aprovechar el autoensamblaje. Debido a que las nanopartículas de metales o semiconductores no se autoensamblan de la misma manera que lo hacen los sistemas vivos, los científicos están examinando sus diferencias y similitudes.

Construcción espontánea

Algunos materiales, los científicos encontraron, se ensamblará automáticamente si los coloca juntos en una solución líquida. Se juntan como por arte de magia. Pero depende de los investigadores averiguar qué materiales y soluciones mezclar para dar las formas y características que necesitan.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE descubrieron una familia de polímeros sintéticos que forman nanotubos huecos cuando se los pone en agua. Los nanotubos podrían mejorar los catalizadores, transportar otras nanotecnologías, y mover antibióticos por el cuerpo. Este descubrimiento también podría conducir a la creación de nanoestructuras que realicen la gran cantidad de funciones que realizan las proteínas. pero son más resistentes y duraderas que las proteínas.

"Estoy muy emocionado por la capacidad de fabricar materiales que imitan las proteínas, "dijo Zuckermann.

Estos nanotubos tienen dos ventajas importantes sobre los anteriores. Los científicos podrían manipularlos para que tuvieran una longitud y un diámetro consistentes. Esto es esencial para construir estructuras más grandes con aplicaciones más prácticas. Los tubos huecos también se formaron de una manera que los hace menos propensos a colapsar en un cilindro sólido.

Un esfuerzo similar en la Universidad de Michigan encontró una forma de sulfuro de cadmio, que se utiliza para fabricar paneles solares, que se autoensambla en conchas en agua que es moderadamente básica. Los sistemas vivos usan nanocapas para funciones esenciales, como controlar la ubicación de las reacciones químicas. Las conchas sintéticas, que tienen aproximadamente la mitad del diámetro de un virus, podría usarse en terapia génica. Los investigadores de la Universidad de Michigan modelaron los caparazones en las instalaciones para usuarios del Centro de Computación Científica de Investigación de Energía Nacional de la Oficina de Ciencias del DOE antes de crearlos en el laboratorio.

ADN y diamantes diminutos:las guías más pequeñas imaginables

Desafortunadamente, El autoensamblaje espontáneo depende en gran medida de las características de las partículas. Usa diferentes partículas, y el autoensamblaje formará estructuras diferentes o no se producirá en absoluto.

Pero los investigadores están buscando un enfoque diferente que funcionará sin importar qué tipo de partícula utilicen. Con este método, los científicos adjuntan un material que quiere autoensamblarse a un nanomaterial diferente que no lo hace. Los materiales que se quieren autoensamblar actúan como tiras de velcro que se usan para colgar cuadros. Normalmente, las imágenes y la pared no se pegarían. Pero aplicando una tira de velcro a cada uno y empujándolos, se bloquean en su lugar. Con este método, los científicos podrían conectar cualquier tipo de nanopartículas y hacerlo en la forma que deseen.

El ADN es una de las formas más prometedoras de este nano-Velcro. Científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, están investigando este método.

"Usando ADN, podemos instruir a las partículas sobre cómo conectarse entre sí, "dijo Oleg Gang, investigadora de CFN y profesora de la Universidad de Columbia. Cuando los científicos unen ADN sintético a nanopartículas, las hebras de ADN se emparejan de la misma manera que lo hacen en todos los seres vivos, trayendo las nanopartículas.

"Es una herramienta 'inteligente', "dijo Fang Lu, un investigador de CFN. "Podemos diseñar qué tipo de vínculo es atractivo, qué tipo de vínculo es repulsivo ".

En un estudio de 2015, Los científicos utilizaron el ADN para conectar diferentes tipos de formas de nanopartículas. Mientras que las esferas normalmente se unirían solo a las esferas, el uso de ADN les permitió también conectarse con bloques.

Después, los investigadores pasaron a crear marcos tridimensionales a partir del ADN. Este estudio llevó lo que habían aprendido sobre la conexión de diferentes formas al siguiente nivel. Primero, los científicos colocaron una nanopartícula con algunos ADN de una sola hebra colgando de ella en cada esquina de un marco de ADN sintético. Estas hebras conectaban las partículas, uniendo las partículas y los marcos para formar objetos tridimensionales. Al conectar marcos que tenían una variedad de formas:cubos, octaedros, y tetraedros:los científicos podrían formar diferentes arquitecturas tridimensionales. Este método podría llevar a que la industria de materiales pudiera utilizar para manipular la luz, hacer reacciones químicas más rápidas, e influir en los procesos biológicos.

Ahora, Los científicos están utilizando estos marcos para construir nanoformas 3D personalizadas. Hasta aquí, han podido diseñar zig-zags, figuras de palitos, y otros diseños. Pegando una nanopartícula de oro en el medio de cada cuadro, incluso crearon una estructura de cristal similar a la que se ve en los diamantes. Los científicos esperan que al cambiar las configuraciones y agregar nuevos tipos de partículas, pueden extraer aún más características.

En el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE, los investigadores están usando diamantes diminutos ellos mismos. Descubrieron cómo autoensamblar "diamonoides" en los nanocables más pequeños jamás fabricados que aún son lo suficientemente estables para satisfacer las necesidades de los científicos. A diferencia de los nanocables más pequeños, los científicos pueden almacenar diamonoides en el aire sin que se descompongan o dispersen en disolventes sin cambiar su estructura.

"Lo realmente impactante fue que obtuvimos esta hermosa sección transversal de tres átomos de nanocables, "dijo Nick Melosh, un investigador SLAC. En comparación, los nanocables de carbono más pequeños tienen 10 átomos de ancho.

Para hacer estos nanocables, los científicos unieron un átomo de azufre a las partículas de diamante de escala molecular. Cuando colocaron esta combinación en una solución con iones de cobre, el azufre se adhirió al cobre. Esto creó el bloque de construcción básico de nanocables:una jaula de diamonoide que lleva átomos de cobre y azufre. Los diamonoides en los bloques separados luego se juntaron espontáneamente, tirando de las otras nanopartículas. Esto formó el nanoalambre.

El próximo gran desafío es utilizar el autoensamblaje para diseñar materiales que puedan resolver problemas específicos, como capturar el tipo de luz adecuado para las células solares, o filtrando microbios del agua.

"[Quiero] desarrollar métodos para crear sistemas que tenga en su imaginación. Y eso es muy, muy inspirador, "dijo Gang.