Los materiales formados en escalas cada vez más pequeñas se utilizan en medicina, electrónica, fabricación y muchas otras aplicaciones. Pero los científicos solo han arañado la superficie de la comprensión de cómo controlar los bloques de construcción en la nanoescala, donde operan máquinas simples del tamaño de un virus.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Dongsheng Li, un científico de materiales en PNNL, y colaboradores de la Universidad de Michigan y la Academia China de Ciencias, han descubierto el secreto de una de las nanoestructuras más útiles:el gemelo quíntuple. Su estudio que describe por qué y cómo se forma esta forma se detalla en la revista. Ciencias y fue presentado en la reunión anual de la Materials Research Society el 5 de diciembre, 2019.

Una sección transversal de una estructura gemela quíntuple se ve en todo el mundo como un pastel cortado en cinco piezas perfectamente simétricas. Ya se ha demostrado que los nanomateriales con esta estructura tienen propiedades útiles y se utilizan en la investigación médica para marcar con precisión los tumores cancerosos para la obtención de imágenes y el seguimiento. y en electrónica, donde son valorados por su resistencia mecánica.

"Las nanopartículas naturales y sintéticas compuestas de dominios cristalinos maclados cinco veces tienen propiedades únicas, "dijo Li, quien dirigió el equipo de investigación. "Pero el mecanismo de formación de estas nanopartículas hermanadas quíntuple no se ha entendido bien. Por primera vez, observamos directamente la formación de gemelos quíntuples en tiempo real y determinamos el mecanismo por el cual se forman ".

Desde que los científicos aprendieron a manipular moléculas a nanoescala, han notado que los materiales tienden a agregarse en ciertas formas geométricas:alambres, tubos, esferas y todos los cubos se forman con poca intervención. ¿Pero por qué?

El equipo de investigación utilizó una combinación de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución combinada con técnicas de simulación de dinámica molecular para investigar por qué las estructuras se forman como lo hacen. En la mayoría de los casos, las nanoestructuras se forman demasiado rápido para capturarlas utilizando técnicas de imágenes experimentales. Aquí, el equipo implementó una estrategia inteligente:obligaron a las moléculas a moverse más lentamente encerrándolas en una matriz orgánica similar a la melaza, y observaron más de 200 eventos de formación para capturar todos los pasos clave del proceso. Descubrieron dos mecanismos diferentes para formar nanoestructuras hermanadas cinco veces, ambos son moldeados por la acumulación y eliminación de la tensión hacia una forma ideal que elimina toda tensión.

"El mecanismo que desarrollamos es una vía común para el crecimiento de cristales que ocurre ampliamente en diversos sistemas como los metales, semiconductores, orgánicos, y fases biominerales, "dijo Li." Por lo tanto, lo que aprendimos de nuestra observación puede generalizarse a una amplia gama de materiales ".

Ahora que los investigadores han captado las fuerzas básicas que dan forma a la estructura, esperan poder guiar más tipos de materiales en esta forma de pastel tan útil.

"Esperamos permitir el diseño de nanoestructuras con tamaño y morfología controlados, y adaptar sus propiedades, "Dijo Li.