Los tetraedros forman dominios hexagonales con un giro hacia la derecha o hacia la izquierda. Durante el ensamblaje, las partículas se juntan con sus puntas hacia arriba o hacia abajo. Cuando los puntos se encuentran, las partículas deben deslizarse entre sí para seguir acercándose, y este movimiento obliga a las seis partículas en un hexágono ensamblado a girar aleatoriamente hacia la izquierda o hacia la derecha. Crédito:Z. Cheng/Universidad Rice
Las nanopartículas con forma de tetraedro son lo suficientemente interesantes por sí mismas, pero bajo las circunstancias adecuadas, los científicos de la Universidad de Rice han descubierto que hacen algo notable.
Mientras realizaban una revisión de rutina en un lote de diminutos tetraedros de oro, el químico de Rice Matthew Jones y el estudiante graduado Zhihua Cheng descubrieron que sus partículas microscópicas tenían la capacidad inesperada de organizarse en superestructuras quirales 2D.
El descubrimiento, que se detalla en un nuevo estudio en Nature Communications , es probablemente el primer autoensamblaje espontáneo conocido de una estructura quiral plana, dijo Jones.
Las estructuras quirales son espejos opuestos, formas similares, como las manos derecha e izquierda, que no se pueden superponer entre sí. Es una distinción importante en el diseño de fármacos, donde las moléculas quirales pueden ser terapéuticas por un lado y tóxicas por el otro.
Los tetraedros en sí mismos no son quirales, es decir, pueden superponerse a sus imágenes especulares. Eso hizo que fuera doblemente sorprendente que cayeran tan fácilmente en formas quirales durante los experimentos cuando se evaporaron sobre una superficie, dijo Jones.
"Esto es inesperado", dijo. "Es muy raro ver formarse una estructura quiral cuando los componentes básicos no son quirales".
Jones dijo que las superredes 2D que crean los tetraedros podrían conducir a avances en metamateriales que manipulan la luz y el sonido de manera útil. "Hay toda una serie de artículos que predicen que algunas de las propiedades más interesantes de los metamateriales ópticos surgen en estructuras que tienen quiralidad en esta escala de longitud", dijo.
Las superficies quirales creadas en Rice son ensamblajes ultrafinos de partículas que incorporan dominios zurdos y diestros en números iguales. Eso importa en cómo procesan la luz polarizada circularmente, una herramienta útil en espectroscopia y plasmónica.
Jones dijo que una forma de construir estructuras 2D precisas es comenzar con una gran pieza de material y trabajar de arriba hacia abajo, como un escultor, eliminando partes no deseadas para llegar a la forma deseada. El autoensamblaje es un enfoque ascendente en el que una gran estructura, como un árbol, crece a partir de la unión de innumerables piezas pequeñas. El ensamblaje de abajo hacia arriba suele ser el más rápido y eficiente de los dos enfoques.
"La mayoría de las veces, las personas usan partículas esféricas en el autoensamblaje, pero no se puede obtener tanta complejidad en términos de estructura", dijo Jones. "Mi grupo toma partículas no esféricas y trata de hacer que se ensamblen en estructuras más sofisticadas".
Habiendo descubierto una forma de hacer nanotetraedros de oro bien formados, Jones y Cheng los pusieron en una solución y colocaron una gota sobre un sustrato. "Simplemente dejamos que la gota se evapore y lo que obtenemos son estas increíbles superredes", dijo.
"Hay dos cosas que los hacen increíbles", dijo. "Una es que son exclusivamente bidimensionales y la segunda, que es más interesante, es que son quirales".
Jones y Cheng inicialmente pensaron que las partículas podrían crecer en tres dimensiones, "pero ahora entendemos cómo forman una estructura 2D tan complicada que tiene dos partículas de espesor", dijo Jones.
Una imagen en color falso de un microscopio electrónico de barrido muestra cientos de tetraedros de oro (nanopartículas con forma de pirámide) que forman aleatoriamente estructuras "quirales" a medida que se autoensamblan en una lámina bidimensional plana. Crédito:Z. Cheng/Universidad Rice
Cheng dijo:"Al principio, no esperábamos que se ensamblaran en absoluto. Solo quería ver que las partículas fueran puras y de tamaño uniforme. Cuando vi los diferentes arreglos quirales, fue una sorpresa total para mí que se ensamblaran en tal forma". ¡una estructura genial!"
Jones dijo que las partículas aprovechan varios fenómenos a medida que se ensamblan, incluidas las fuerzas de van der Waals, la repulsión electrostática entre las moléculas en las superficies del tetraedro y el sustrato sobre el que se coloca la gota. "Con el tiempo, a medida que la gota se evapora, las partículas pasan de ser en su mayoría repulsivas a fuertemente atractivas, y así es como cristalizan en superredes", dijo.
Los dominios hexagonales del material se forman cuando los tetraedros se unen con sus puntas hacia arriba o hacia abajo. A medida que las partículas se ensamblan, sus puntos finalmente se encuentran, lo que requiere que se deslicen un poco para seguir acercándose. Esto obliga a todas las partículas en el hexágono ensamblado a rotar aleatoriamente en un sentido u otro, formando dominios quirales de mano derecha e izquierda.
Jones señaló que hay una base matemática para el fenómeno que alguien eventualmente podría descubrir.
"Solo recientemente se demostró matemáticamente el empaque más denso de esferas, por lo que puede pasar algún tiempo antes de que podamos esperar algo similar para los tetraedros", dijo. "Es muy, muy complicado".
Jones dijo que ve la posibilidad de algún día "ensamblar un material como este en la superficie de una piscina" para que los recubrimientos de metamateriales avanzados puedan aplicarse a prácticamente cualquier objeto simplemente sumergiéndolo a través de la superficie líquida. Metamaterial mejora significativamente las señales de nanopartículas quirales
