Desde las antiguas pirámides hasta los edificios modernos, Se han formado varias estructuras tridimensionales (3-D) empaquetando objetos con forma. En la macroescala, la forma de los objetos es fija y, por lo tanto, dicta cómo se pueden organizar. Por ejemplo, los ladrillos unidos por mortero conservan su forma rectangular alargada. Pero a nanoescala, la forma de los objetos puede modificarse hasta cierto punto cuando están recubiertos con moléculas orgánicas, como polímeros, tensioactivos (agentes tensioactivos), y ADN. Estas moléculas esencialmente crean una capa "blanda" alrededor de lo contrario "dura, "o rígido, nano-objetos. Cuando los nano-objetos se empaquetan juntos, es posible que su forma original no se conserve por completo porque el caparazón es flexible, una especie de escultura a nanoescala.

Ahora, Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y Columbia Engineering ha demostrado que las nanopartículas en forma de cubo, o nanocubos, recubiertos con cadenas de ADN monocatenarias se ensamblan en una disposición inusual en "zigzag" que nunca antes se había observado a nanoescala o macroescala. Su descubrimiento se informa en la edición en línea del 17 de mayo de Avances de la ciencia .

"Los objetos a nanoescala casi siempre tienen algún tipo de capa porque les adjuntamos polímeros intencionalmente durante la síntesis para evitar la agregación, "explicó el coautor Oleg Gang, líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Biológicos en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab, y profesor de ingeniería química y física aplicada y ciencia de los materiales en la Universidad de Columbia. "En este estudio, exploramos cómo cambiar la suavidad y el grosor de las capas de ADN (es decir, la longitud de las cadenas de ADN) afecta el empaquetamiento de los nanocubos de oro ".

Gang y los otros miembros del equipo:Fang Lu y Kevin Yager de CFN; Yugang Zhang de la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven; y Sanat Kumar, Thi Vo, y Alex Frenkel del Departamento de Ingeniería Química de Columbia:descubrieron que los nanocubos rodeados por capas delgadas de ADN se empaquetan de una manera similar a la esperada en la macroescala, con los cubos dispuestos en capas ordenadas orientadas directamente uno encima del otro. Pero esta simple disposición cúbica da paso a un tipo de empaque muy inusual cuando se incrementa el grosor de las carcasas (es decir, cuando la cáscara se vuelve "más blanda").

"Cada nanocubo tiene seis caras donde puede conectarse a otros cubos, "explicó Gang." Los cubos que tienen ADN complementario se atraen entre sí, pero los cubos que tienen el mismo ADN se repelen entre sí. Cuando la capa de ADN se vuelve lo suficientemente blanda (gruesa), los cubos se organizan en lo que parece un patrón en zigzag, lo que maximiza la atracción y minimiza la repulsión mientras permanece empaquetado lo más apretado posible.

"Este tipo de embalaje nunca se había visto antes, y rompe la simetría de orientación de los cubos con respecto a los vectores (direcciones de la x, y, y ejes z en el cristal) de la celda unitaria, "dijo el primer autor Fang Lu, un científico del grupo de Gang. "A diferencia de todos los envases de cubos observados anteriormente, el ángulo entre los cubos y estos tres ejes no es el mismo:dos ángulos son diferentes del otro ".

Una celda unitaria es la parte repetida más pequeña de una red cristalina, que es una matriz de puntos en el espacio 3-D donde se colocan las nanopartículas. Las nanopartículas con forma se pueden orientar de manera diferente entre sí dentro de la celda unitaria, como por sus caras, bordes o esquinas. El empaquetamiento en zigzag que los científicos observaron en este estudio es una especie de compromiso a nanoescala en el que ninguna orientación relativa "gana". En lugar de, los cubos encuentran la mejor disposición para coexistir en una red ordenada en función de si tienen el mismo ADN o el complementario (es decir, repeler o atraer unos a otros en consecuencia).

En este caso, Pueden ocurrir dos tipos de celosía diferentes:cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Tanto BCC como BCT tienen colocaciones similares de partículas en el centro y las esquinas de los cubos, pero BCC tiene lados de celda unitaria de igual longitud, mientras que BCT no.

Para visualizar la forma de los cubos y su comportamiento de empaque, los científicos utilizaron una combinación de microscopía electrónica en el CFN y dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en la antigua línea de luz X9 de NSLS y la línea de luz de dispersión de materiales complejos de NSLS-II. Los estudios de microscopía electrónica requieren que los materiales se saquen de la solución, pero SAXS se puede realizar in situ para proporcionar información estructural más detallada y precisa. En este estudio, los datos de dispersión fueron útiles para revelar las simetrías, distancias entre partículas, y orientaciones de partículas en las estructuras de nanocubos tridimensionales. Los cálculos teóricos realizados por Kumar Group en Columbia confirmaron que la disposición en zigzag es posible y racionalizaron por qué se estaba produciendo este tipo de empaquetamiento en función de las propiedades de las capas de ADN.

El equipo ahora está ansioso por determinar si los nanoobjetos de caparazón blando que no son cubos o tienen más de una forma también se empaquetan de manera inesperada.

"La comprensión de la interacción entre los nano-objetos con forma y las cáscaras blandas nos permitirá dirigir la organización de los objetos en estructuras particulares con la óptica deseada, mecánico, y otras propiedades, "dijo Kumar.