Construir a nanoescala no es como construir una casa. Los científicos a menudo comienzan con capas moleculares bidimensionales y las combinan para formar arquitecturas tridimensionales complejas. Y en lugar de clavos y tornillos, estas estructuras están unidas por las atractivas fuerzas de van der Waals que existen entre los objetos a nanoescala.

Las fuerzas de Van der Waals son críticas en la construcción de materiales para el almacenamiento de energía, sensores bioquímicos y electrónica, aunque son débiles en comparación con los enlaces químicos. También juegan un papel crucial en los sistemas de administración de fármacos, determinar qué fármacos se unen a los sitios activos de las proteínas.

En una nueva investigación que podría ayudar a informar el desarrollo de nuevos materiales, Los químicos de Cornell han descubierto que el espacio vacío ("poros") presente en bloques de construcción moleculares bidimensionales cambia fundamentalmente la fuerza de estas fuerzas de van der Waals, y potencialmente puede alterar el ensamblaje de nanoestructuras sofisticadas.

Los hallazgos representan una vía inexplorada hacia el gobierno del autoensamblaje de nanoestructuras complejas a partir de bloques de construcción bidimensionales porosos. "Esperamos que una comprensión más completa de estas fuerzas ayude al descubrimiento y desarrollo de materiales novedosos con diversas funcionalidades, propiedades específicas, y aplicaciones potencialmente novedosas, "dijo Robert A. DiStasio Jr., profesor asistente de química en la Facultad de Artes y Ciencias.

En un artículo titulado "Influencia del tamaño de los poros en la interacción de van der Waals en moléculas y materiales bidimensionales, "publicado el 14 de enero en Cartas de revisión física , DiStasio, El estudiante graduado Yan Yang y el asociado postdoctoral Ka Un Lao describen una serie de modelos matemáticos que abordan la cuestión de cómo el espacio vacío afecta fundamentalmente a las fuerzas físicas atractivas que ocurren en distancias a nanoescala.

En tres sistemas de modelos prototípicos, los investigadores encontraron que los tamaños de poros particulares conducen a un comportamiento inesperado en las leyes físicas que gobiernan las fuerzas de van der Waals. Más lejos, escriben, este comportamiento "puede ajustarse variando el tamaño relativo y la forma de estos espacios vacíos ... [proporcionando] una nueva perspectiva sobre el autoensamblaje y el diseño de nanoestructuras complejas".

Si bien los enlaces covalentes fuertes son responsables de la formación de capas moleculares bidimensionales, Las interacciones de van der Waals proporcionan la principal fuerza de atracción entre las capas. Como tal, Las fuerzas de van der Waals son en gran parte responsables del autoensamblaje de las complejas nanoestructuras tridimensionales que componen muchos de los materiales avanzados que se utilizan en la actualidad.

Los investigadores demostraron sus hallazgos con numerosos sistemas bidimensionales, incluyendo marcos orgánicos covalentes, que están dotados de poros ajustables y potencialmente muy grandes.

"Me sorprende que la complicada relación entre el espacio vacío y las fuerzas de van der Waals pueda racionalizarse a través de modelos tan simples, "dijo Yang." Al mismo tiempo, Estoy muy emocionado con nuestros hallazgos, ya que incluso pequeños cambios en las fuerzas de van der Waals pueden impactar notablemente las propiedades de moléculas y materiales ".