Las partículas microscópicamente pequeñas pueden autoensamblarse espontáneamente en estructuras complejas en capas con propiedades notables, según cálculos realizados en TU Wien.

Hay muchas formas de crear nuevos materiales innovadores. Uno de los más interesantes es un proceso mediante el cual pequeñas partículas se autoensamblan para formar estructuras complejas. Este proceso, denominado "autoorganización, "abre algunas oportunidades notables, como lo han demostrado ahora las simulaciones por computadora realizadas en TU Wien. Las macromoléculas simples pueden formar sistemas en capas que pueden ser simultáneamente sólidos y líquidos dentro de un amplio rango de temperatura.

Cargas repulsivas y atractivas

"El concepto básico es uno que se explota ampliamente en la naturaleza, "explica el profesor Gerhard Kahl del Instituto de Física Teórica en TU Wien." Los virus y las bacterias a menudo exhiben cargas superficiales. Esto significa que se atraen o se repelen entre sí, dependiendo del tipo de carga que lleven. Como resultado, la vinculación selectiva puede ocurrir entre estas entidades, permitiéndoles reunirse en interesantes, estructuras funcionales ".

Un proceso similar también es posible con partículas artificiales, por ejemplo, Esferas pequeñas (coloidales) a las que se aplica una carga eléctrica positiva en dos regiones superficiales opuestas. Si las condiciones ambientales son adecuadas, tales partículas pueden autoensamblarse para formar una capa bidimensional. Luego, las partículas se compactan fuertemente, formando un patrón hexagonal, con las regiones superficiales cargadas de las partículas alineadas de modo que formen fuertes enlaces atractivos. Este patrón de unión hace que la capa sea extremadamente estable.

Como han demostrado Emanuela Bianchi y Silvano Ferrari del grupo de trabajo de Gerhard Kahl, esto permite que ocurra un fenómeno interesante, a saber, que varias de estas capas pueden unirse simultáneamente. Las partículas adicionales pueden ocupar posiciones entre las capas, estableciendo fuertes lazos entre estas capas. Estas partículas de unión fijan las capas en su lugar, lo que significa que ya no pueden cambiar entre sí; así un establo, La estructura de múltiples capas se forma de forma completamente autónoma a través de la autoorganización de partículas aleatorias que pasan por allí.

Tanto sólido como líquido:la mini oblea de chocolate

Las características especiales de estas estructuras se hacen evidentes cuando se eleva la temperatura:"Los enlaces dentro de las capas individuales son mucho más fuertes que los enlaces entre las capas, "explica Gerhard Kahl." Si la temperatura aumenta, son los enlaces más débiles entre las capas los que se rompen primero; las partículas pueden moverse libremente como un líquido mientras que las capas permanecen estables ". Este efecto es similar a una oblea de chocolate en el calor del verano, con chocolate líquido intercalado entre sólidos, capas de obleas estables. "Este es un fenómeno notable. Estamos tratando con un material único que consta de un solo tipo de partículas, sin embargo, puede formar una estructura que comprenda capas sólidas y líquidas al mismo tiempo ".

Este escenario se puede observar en un amplio rango de temperaturas; sólo cuando la temperatura es tan alta que incluso los enlaces estables dentro de las capas individuales se rompen, la estructura se desmorona y se derrite por completo. Hasta entonces, el sistema demuestra una capacidad excepcional de autocuración:incluso cuando está dañado, pronto se repara automáticamente al pasar partículas al azar.

Los experimentos ya han comenzado para probar los usos potenciales de estas nuevas ideas. Hay muchos usos posibles para estructuras de este tipo. "Tales estructuras nos permitirían controlar con precisión el transporte de partículas a través de cambios de temperatura, "dice Gerhard Kahl. Esto podría usarse en medicina, por ejemplo, para transportar la medicación exactamente al lugar apropiado del cuerpo.