Los investigadores de la Universidad de Northwestern han desarrollado una técnica única en su tipo para crear clases completamente nuevas de materiales y dispositivos ópticos que podrían conducir a dispositivos de encubrimiento y doblado de la luz, una noticia que alegrará los oídos del Spock de Star Trek.

Usando el ADN como herramienta clave, El equipo interdisciplinario tomó nanopartículas de oro de diferentes tamaños y formas y las dispuso en dos y tres dimensiones para formar superredes ópticamente activas. Las estructuras con configuraciones específicas podrían programarse mediante la elección del tipo de partícula y tanto el patrón de ADN como la secuencia para exhibir casi cualquier color en todo el espectro visible. los científicos informan.

"La arquitectura lo es todo a la hora de diseñar nuevos materiales, y ahora tenemos una nueva forma de controlar con precisión las arquitecturas de partículas en grandes áreas, "dijo Chad A. Mirkin, el Profesor George B. Rathmann de Química en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg en Northwestern. "Los químicos y físicos podrán construir un número casi infinito de nuevas estructuras con todo tipo de propiedades interesantes. Estas estructuras no se pueden fabricar mediante ninguna técnica conocida".

La técnica combina un método de fabricación antiguo:litografía de arriba hacia abajo, el mismo método utilizado para fabricar chips de computadora, con uno nuevo, autoensamblaje programable impulsado por ADN. El equipo de Northwestern es el primero en combinar los dos para lograr el control de partículas individuales en tres dimensiones.

El estudio fue publicado en línea por la revista Ciencias hoy (18 de enero). Mirkin y Vinayak P. Dravid y Koray Aydin, ambos profesores de la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, son coautores correspondientes.

Los científicos podrán utilizar la técnica poderosa y flexible para construir metamateriales (materiales que no se encuentran en la naturaleza) para una variedad de aplicaciones que incluyen sensores para usos médicos y ambientales.

Los investigadores utilizaron una combinación de simulaciones numéricas y técnicas de espectroscopía óptica para identificar superredes de nanopartículas particulares que absorben longitudes de onda específicas de luz visible. Las nanopartículas modificadas con ADN, en este caso de oro, se colocan en una plantilla prediseñada hecha de ADN complementario. Se pueden hacer pilas de estructuras introduciendo una segunda y luego una tercera partícula de ADN modificado con ADN que es complementario a las capas posteriores.

Además de ser arquitecturas inusuales, Estos materiales responden a los estímulos:las hebras de ADN que los mantienen unidos cambian de longitud cuando se exponen a nuevos entornos, como soluciones de etanol que varían en concentración. El cambio en la longitud del ADN, los investigadores encontraron, resultó en un cambio de color de negro a rojo a verde, proporcionando una sintonización extrema de las propiedades ópticas.

"Ajustar las propiedades ópticas de los metamateriales es un desafío importante, y nuestro estudio logra uno de los rangos de sintonización más altos alcanzados hasta la fecha en metamateriales ópticos, "dijo Aydin, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en McCormick.

"Nuestra nueva plataforma de metamateriales, habilitada por un control preciso y extremo de la forma de las nanopartículas de oro, tamaño y espaciado:es una promesa significativa para metamateriales ópticos y metasuperficies de próxima generación, "Dijo Aydin.

El estudio describe una nueva forma de organizar las nanopartículas en dos y tres dimensiones. Los investigadores utilizaron métodos de litografía para perforar pequeños orificios, de solo una nanopartícula de ancho, en una capa protectora de polímero. creando "pistas de aterrizaje" para componentes de nanopartículas modificados con hebras de ADN. Las pistas de aterrizaje son imprescindibles, Mirkin dijo:ya que mantienen las estructuras que crecen verticales.

Las pistas de aterrizaje nanoscópicas se modifican con una secuencia de ADN, y las nanopartículas de oro se modifican con ADN complementario. Al alternar nanopartículas con ADN complementario, los investigadores construyeron pilas de nanopartículas con un tremendo control posicional y sobre un área grande. Las partículas pueden tener diferentes tamaños y formas (esferas, cubos y discos, por ejemplo).

"Este enfoque se puede utilizar para construir celosías periódicas a partir de partículas ópticamente activas, como el oro, plata y cualquier otro material que pueda modificarse con ADN, con extraordinaria precisión a nanoescala, "dijo Mirkin, director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern.

Mirkin también es profesor de medicina en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern y profesor de ingeniería química y biológica. Ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela McCormick.

El éxito del ensamblaje programable de ADN informado requirió experiencia con materiales híbridos (blandos y duros) y exquisitas capacidades de nanopatrón y litografía para lograr la resolución espacial requerida. definición y fidelidad en grandes áreas de sustrato. El equipo del proyecto se volvió hacia Dravid, un antiguo colaborador de Mirkin que se especializa en nanopatrones, microscopía avanzada y caracterización de blandos, nanoestructuras duras e híbridas.

Dravid contribuyó con su experiencia y ayudó en el diseño de la estrategia de nanopatrón y litografía y la caracterización asociada de las nuevas estructuras exóticas. Es el profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en McCormick y el director fundador del centro NUANCE, que alberga el patrón avanzado, litografía y caracterización utilizada en las estructuras programadas por ADN.