A veces es mejor dejar que los imanes hagan todo el trabajo.

Un equipo dirigido por los profesores de física de la Universidad de Cornell, Itai Cohen y Paul McEuen, está utilizando el poder de unión de los imanes para diseñar sistemas de autoensamblaje que potencialmente se pueden crear en forma de nanoescala.

Su papel "Materiales de apretón de manos magnéticos como una plataforma de escala invariable para el autoensamblaje programado, "publicado el 21 de noviembre en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Para hacer pequeños sistemas, como máquinas en miniatura, geles y metamateriales, que esencialmente se construyen a sí mismos, los investigadores se inspiraron en el origami de ADN, en el que las hebras de ADN a escala atómica se pueden plegar en estructuras bidimensionales y tridimensionales a través de un proceso llamado emparejamiento de bases complementarias, donde los nucleótidos específicos se unen entre sí:A a T y G a C.

En lugar de depender de enlaces atómicos, el equipo se sintió atraído por otra forma de atracción:el magnetismo. Aquí, la atracción y repulsión entre múltiples imanes puede servir como una especie de conexión inteligente, como un apretón de manos. Las interacciones magnéticas también producen fuertes, Uniones versátiles que no se rompen fácilmente con los efectos térmicos. Con una gran variedad de imanes en una variedad de orientaciones, serían posibles miles de configuraciones diferentes.

Los investigadores probaron su teoría de diseño haciendo paneles acrílicos de un centímetro, cada uno contiene cuatro imanes diminutos en un patrón cuadrado. Esta disposición les permitió realizar cuatro interacciones magnéticas únicas.

"Al controlar el patrón de dipolos magnéticos en cada panel, Básicamente, podemos obtener un enlace de bloqueo y llave, "dijo Cohen." Y al pegar estos paneles en una tira de mylar flexible en secuencias diseñadas, creamos nuestros bloques de construcción básicos ".

Para activar el autoensamblaje, las hebras separadas estaban esparcidas sobre una mesa vibradora, con las vibraciones de la mesa impidiendo que los imanes se unan. A medida que disminuía la amplitud del temblor, los imanes colocados en el orden designado y las hebras formaron las estructuras objetivo.

La última meta, dice Cohen, es producir versiones a nanoescala de estos sistemas, con unidades de autoensamblaje de solo cien nanómetros de diámetro, o una milésima parte de un cabello humano de diámetro.

"Es una plataforma bastante amplia con muchas aplicaciones que son muy emocionantes e interesantes, "dijo el investigador postdoctoral Ran Niu, el autor principal del artículo. "Se pueden diseñar muchas estructuras. Podemos construir actuadores ópticamente activos. Podemos construir máquinas funcionales que podemos controlar".

El proyecto recibió recientemente una subvención de $ 1.1 millones de Designing Materials to Revolutionize and Engineer Our Future de la National Science Foundation, lo que permitirá al equipo explorar más a fondo las encarnaciones a nanoescala.

"La parte que realmente me interesa es la idea de cómo interactúan la estructura y la información para hacer máquinas que cambian de forma, "dijo el coautor principal McEuen, el Profesor John A. Newman de Ciencias Físicas y director del Instituto Kavli en Cornell para Ciencias a Nanoescala, donde Cohen es un investigador principal. "Entonces ARN, por ejemplo, es esta molécula increíblemente asombrosa en nuestro cuerpo que contiene mucha información, pero también tiene todo tipo de funciones interesantes. Y esto es una especie de análogo de ese sistema, donde podemos comenzar a comprender cómo se mezcla la información y la estructura para obtener un comportamiento complejo ".

Si bien las máquinas a nanoescala y los sistemas de autoensamblaje no son nuevos, Este proyecto marca la primera vez que los dos conceptos se combinan con la codificación magnética.

"La visión es que un día simplemente te entregaré un disco magnético, lo pones en tu disco duro, escribe todos los códigos magnéticos que diseñó, luego lo tomas y lo pones en un poco de ácido para liberar los bloques de construcción, "Dijo Cohen." Todas las pequeñas hebras con los patrones magnéticos que codificamos se unirían y se autoensamblarían en una especie de máquina que podríamos controlar usando campos magnéticos externos ".

"Este trabajo abre el campo del diseño, "Cohen agregó." Ahora estamos brindando a las personas interesadas en las matemáticas del diseño de materiales desde cero un conjunto de herramientas que es increíblemente poderoso. Realmente no hay fin para la creatividad y el potencial para que surjan diseños interesantes ".

Las posibles oportunidades de aprendizaje se pueden encontrar en el propio equipo de investigación. Los coautores del artículo incluyen a Edward Esposito, un ex miembro del personal de la universidad que auditó la clase de honores de Electricidad y Magnetismo de Cohen y se convirtió en técnico en el laboratorio de Cohen. Ahora está cursando un doctorado. en la Universidad de Chicago. Y el coautor Jakin Ng es un estudiante de Ithaca High School que comenzó a trabajar a tiempo parcial en el laboratorio de Cohen a través del programa de educación experimental para jóvenes Learning Web. El conocimiento de Ng de los patrones de origami ayudó a los investigadores a diseñar algunas de sus estructuras.