Hecho de nanohojas curvas de oro-cisteína que giran en la misma dirección, la nanopartícula puntiaguda alcanzó la mayor complejidad medida. Absorbe la luz ultravioleta y emite luz torcida en la parte visible del espectro. Crédito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Universidad de Michigan
Un equipo internacional dirigido por la Universidad de Michigan ha producido micropartículas sintéticas más complejas que algunas de las más complicadas que se encuentran en la naturaleza. También investigaron cómo surge esa complejidad e idearon una forma de medirla.
Los hallazgos allanan el camino para mezclas de fluidos y partículas más estables, como pinturas, y nuevas formas de torcer la luz, un requisito previo para los proyectores holográficos.
Las partículas están compuestas por picos retorcidos dispuestos en una bola de unas pocas micras, o millonésimas de metro, a través de.
La biología es un gran creador de complejidad en las nano y microescalas, con estructuras puntiagudas como el polen de las plantas, células inmunes y algunos virus. Entre las partículas naturales más complejas en la escala de las nuevas partículas sintéticas se encuentran los cocolitóforos puntiagudos. Unas pocas micras de diámetro, este tipo de algas es conocido por construir intrincadas conchas de piedra caliza a su alrededor. Para comprender mejor las reglas que gobiernan cómo crecen partículas como estas, los científicos e ingenieros intentan hacerlos en el laboratorio. Pero hasta ahora no había una forma formalizada de medir la complejidad de los resultados.
"Los números gobiernan el mundo, y ser capaz de describir rigurosamente formas puntiagudas y poner un número a la complejidad nos permite utilizar nuevas herramientas como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático en el diseño de nanopartículas. "dijo Nicholas Kotov, el Profesor Joseph B. y Florence V. Cejka de Ingeniería en la U-M, quien lideró el proyecto.
Si las nanoláminas de oro-cisteína están diseñadas para permanecer planas, el resultado es un diseño moderadamente complejo que los investigadores llamaron partícula de “kayak”. Crédito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Universidad de Michigan
El equipo, que incluye investigadores de la Universidad Federal de São Carlos y la Universidad de São Paulo en Brasil, así como el Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Pensilvania, utilizaron el nuevo marco para demostrar que sus partículas eran incluso más complicadas que los cocolitóforos.
El brazo computacional del equipo, dirigido por André Farias de Moura, profesor de química en la Universidad Federal, investigó las propiedades cuánticas de las partículas y las fuerzas que actúan sobre los bloques de construcción a nanoescala.
Uno de los actores clave en la producción de complejidad puede ser la quiralidad; en este contexto, la tendencia a seguir un giro en sentido horario o antihorario. Introdujeron la quiralidad recubriendo láminas de sulfuro de oro a nanoescala, que sirvieron como sus bloques de construcción de partículas, con un aminoácido llamado cisteína. La cisteína se presenta en dos formas de imagen especular, uno que conduce las láminas de oro para apilarlas con un giro en el sentido de las agujas del reloj, y el otro tiende hacia un giro en sentido antihorario. En el caso de la partícula más compleja, una bola puntiaguda con espinas retorcidas, cada hoja de oro se revistió con la misma forma de cisteína.
El equipo también controló otras interacciones. Mediante el uso de nanopartículas planas, crearon picos que eran planos en lugar de redondos. También utilizaron moléculas cargadas eléctricamente para asegurarse de que los componentes a nanoescala se construyeran en partículas más grandes, más grande que unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, debido a la repulsión.
Estas partículas relativamente simples surgen cuando las nanoláminas de oro planas se adhieren entre sí sin varias restricciones conflictivas. Crédito:Wenfeng Jiang, Laboratorio Kotov, Universidad de Michigan
"Estas leyes a menudo entran en conflicto entre sí, y la complejidad surge porque estas comunidades de nanopartículas tienen que satisfacerlas a todas, "dijo Kotov, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular.
Y esa complejidad puede resultar útil. Los picos a nanoescala en partículas como el polen evitan que se agrupen. Similar, los picos de estas partículas que hace el equipo de investigación les ayudan a dispersarse en prácticamente cualquier líquido, una propiedad que es útil para estabilizar mezclas sólido / líquido como pinturas.
Las micropartículas con picos retorcidos también absorben luz ultravioleta y emiten luz visible retorcida (o polarizada circularmente) en respuesta.
"La comprensión de estas emisiones fue una de las partes más difíciles de la investigación, ", dijo de Moura.
A partir de los resultados de los experimentos y simulaciones, parece que la energía ultravioleta se absorbió en los corazones de las partículas y se transformó a través de interacciones de la mecánica cuántica, convirtiéndose en luz visible polarizada circularmente en el momento en que salió a través de los picos curvos.
La cáscara de piedra caliza producida por el cocolitóforo Syracosphaera anthos, una de las partículas más complejas de esta escala que se encuentran en la naturaleza, es más intrincado que las partículas de kayak pero menos intrincado que la partícula sintética puntiaguda. Cortesía de mikrotax.org
Los investigadores creen que las tácticas que han descubierto pueden ayudar a los científicos a diseñar partículas que mejoren los biosensores. electrónica y la eficiencia de las reacciones químicas.
El estudio se titula, "Aparición de complejidad en partículas quirales organizadas jerárquicamente, "y se publica en la revista Ciencias .
