La cristalización es uno de los procesos más fundamentales que se encuentran en la naturaleza, y es lo que da minerales, gemas rieles, e incluso proteínas en su estructura.

En las últimas dos décadas, Los científicos han tratado de descubrir cómo los cristales naturales se autoensamblan y crecen, y su trabajo pionero ha llevado a algunas tecnologías nuevas y emocionantes, a partir de los puntos cuánticos detrás de las coloridas pantallas de TV QLED. a los peptoides, un imitador de proteínas que ha inspirado decenas de avances biotecnológicos.

Ahora, Un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley ha desarrollado un compuesto de nanopartículas que se convierte en cristales tridimensionales. Los científicos dicen que el nuevo material, al que denominan cristal 3D PGNP (nanopartículas injertadas con polímero) en su reciente publicación Comunicaciones de la naturaleza estudio, podría conducir a nuevas tecnologías que se cultivan en 3D en lugar de imprimir en 3D.

"Hemos demostrado una nueva palanca para girar, por así decirlo, convertir un material cristalino en un material compuesto o estructurado para aplicaciones que van desde fotónica a nanoescala para edificios inteligentes hasta actuadores para robótica, "dijo Ting Xu, autor principal del estudio. Xu es un científico senior de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

Xu dijo que su nuevo método es compatible con las demandas de la fabricación en masa. "Muchas mentes inteligentes han diseñado químicas elegantes, como ADN y supramoléculas, para cristalizar nanopartículas. Nuestro sistema es esencialmente una mezcla de nanopartículas y polímeros, que son similares a los ingredientes que la gente usa para fabricar alas de avión o parachoques de automóviles. Pero lo que es aún más interesante es que no esperábamos que nuestro método fuera tan simple y rápido, "Dijo Xu.

Un descubrimiento casual

El autor principal Yiwen Qian, un doctorado investigador estudiante en el Grupo Xu en UC Berkeley, descubrió los nanocristales 3D PGNP por casualidad en un experimento de laboratorio ordinario.

Un par de días antes había dejado una solución de disolvente de tolueno y nanopartículas de oro injertadas con poliestireno (Au-PS) en un tubo de centrífuga en un mostrador de laboratorio. Cuando miró la muestra bajo un microscopio electrónico de transmisión (TEM), ella notó algo extraño. "Las nanopartículas se habían cristalizado rápidamente. No era normal esperar, " ella dijo.

Investigar, Xu colaboró ​​con Peter Ercius, un científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, y Wolfgang Theis y Alessandra DaSilva de la Universidad de Birmingham, todos ellos son ampliamente reconocidos por su experiencia en tomografía STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido), una técnica de microscopía electrónica que utiliza un haz de electrones altamente enfocado para reconstruir imágenes de la estructura 3D de un material a alta resolución.

Usando microscopios en la Fundición Molecular, una instalación de usuario líder en el mundo en tomografía STEM, los investigadores capturaron por primera vez patrones cristalinos en 3D de las nanopartículas de Au-PS.

En busca de más pistas Xu y Qian luego desplegaron experimentos de espectroscopía de resonancia magnética nuclear en UC Berkeley, donde descubrieron que un pequeño rastro de moléculas de poliolefina del revestimiento del tubo de centrífuga de alguna manera había entrado en la mezcla. Poliolefinas, que incluyen polietileno y polipropileno, son algunos de los plásticos más ubicuos del mundo.

Qian repitió el experimento, agregar más poliolefina a la solución Au-PS, y esta vez, obtuvieron cristales 3D PGNP más grandes en minutos.

Xu se sorprendió. "Pensé, 'Esto no debería estar pasando tan rápido, '", recordó." Los cristales de nanopartículas suelen tardar días en crecer en el laboratorio ".

Una bendición para la industria:cultivo de materiales a nivel nanométrico

Experimentos posteriores revelaron que como el disolvente de tolueno se evapora rápidamente a temperatura ambiente, el aditivo de poliolefina ayuda a que las nanopartículas de Au-PS se formen en cristales 3D PGNP, y "crecer hasta convertirse en su estructura de cristal favorita, "dijo Qian.

En otro experimento clave, Los investigadores diseñaron un disco cristalino autoensamblante de 100-200 nanómetros que parece la base de una pirámide. A partir de esta impresionante demostración de dominio sobre la materia en el nano nivel, Los investigadores descubrieron que el tamaño y la forma de los cristales 3D PGNP son impulsados ​​por la energía cinética de las poliolefinas a medida que precipitan en la solución.

En total, estos hallazgos "proporcionan un modelo para mostrar cómo se puede controlar la estructura cristalina a nivel de una sola partícula, "Xu dijo, agregando que su descubrimiento es emocionante porque proporciona una nueva perspectiva sobre cómo se forman los cristales durante las primeras etapas de nucleación.

"Y eso es un desafío porque es difícil hacer que los átomos se asienten uno al lado del otro, "Ercius dijo.

El nuevo enfoque podría otorgar a los investigadores un control sin precedentes en el ajuste fino de dispositivos electrónicos y ópticos en el nanonivel (mil millonésimas de metro), Dijo Xu. Tal precisión a escala de nanopartículas, ella añadió, podría acelerar la producción y eliminar errores en la fabricación.

Mirando hacia el futuro, A Qian le gustaría usar su nueva técnica para probar la dureza de diferentes estructuras de cristal, y tal vez incluso hacer un cristal hexagonal.

Xu planea usar su técnica para hacer crecer dispositivos más grandes, como un transistor o quizás nanopartículas impresas en 3D a partir de una mezcla de materiales.

"¿Qué se puede hacer con diferentes morfologías? Hemos demostrado que es posible generar un compuesto de un solo componente a partir de un mineral y un polímero. Es realmente emocionante. A veces solo necesitas estar en el lugar correcto en el momento adecuado, "Dijo Xu.

Los coautores del artículo incluyen a Alessandra da Silva y Wolfgang Theis en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido; Emmy Yu, un estudiante investigador de pregrado en el Grupo Xu en UC Berkeley; y Christopher L. Anderson y Yi Liu en Molecular Foundry de Berkeley Lab.