El autoensamblaje es la organización espontánea de bloques de construcción en estructuras o patrones a partir de un estado desordenado. Los ejemplos cotidianos incluyen la congelación de líquidos o la cristalización de sales. Estos procesos de autoensamblaje también ocurren en muchos sistemas biológicos, como el plegamiento de proteínas o la formación de hélices de ADN, y existe un interés creciente en estudiar estos procesos de autoensamblaje. El investigador Patrick Hage creó una nueva clase de micropartículas autoensamblables que responden a la temperatura y la luz, lo que permite un control preciso sobre su ensamblaje en estructuras.

Las partículas coloidales, que varían en tamaño desde unos pocos nanómetros hasta unos pocos micrómetros, a menudo se usan para estudiar los procesos de autoensamblaje. Debido a su pequeño tamaño, las fuerzas gravitatorias tienen una influencia mínima sobre su movimiento. Como resultado, estas partículas tienden a moverse aleatoriamente mientras interactúan entre sí al mismo tiempo.

"A pesar de su pequeño tamaño, estas partículas coloidales se pueden visualizar utilizando técnicas de microscopía convencionales", señala Patrick Hage, ex Ph.D. investigador y ahora postdoctorado en el grupo Self-Organizing Soft Matter. "Disponer estos materiales en esta escala de longitud puede dar como resultado materiales con nuevas propiedades mecánicas y ópticas. Un ejemplo natural de una 'superestructura' coloidal con propiedades ópticas únicas es un ópalo, que está compuesto por cristales de pequeñas esferas de sílice. Control sobre las superestructuras podría conducir a nuevos materiales para cristales fotónicos, recubrimientos y sensores".

Importancia del control

Para crear materiales coloidales receptivos y reconfigurables, es muy importante tener control sobre las interacciones entre las partículas y la capacidad de modular estas interacciones mediante indicaciones externas.

Una forma de ayudar a modular las interacciones es a través de la funcionalización de la superficie, donde se unen pequeñas cadenas de ADN individuales a la superficie de las partículas. Tal como lo encontraría en el núcleo de una célula en el cuerpo humano, estas hebras de ADN se unen entre sí para formar una hélice de ADN.

"Es la formación de estas hélices de ADN las que mantienen unidas las partículas", dice Hage. "Las partículas con ADN en su superficie se pueden modular usando la temperatura como disparador. Esto controla cómo las partículas interactúan entre sí y conduce a estructuras complicadas como cristales coloidales".

Desencadenadores múltiples

El objetivo del doctorado de Hage. La investigación fue desarrollar un sistema que responda a múltiples desencadenantes:luz y temperatura en este caso. "El uso de múltiples disparadores permite controlar el crecimiento de las estructuras tanto en el espacio como en el tiempo".

Hage logró esto agregando una molécula sensible a la luz a las hebras de ADN que son responsables del ensamblaje coloidal. Esto resultó en interacciones de partículas que respondían tanto a la luz como a la temperatura al mismo tiempo. La combinación de estas partículas con un microscopio fluorescente, una cámara de calentamiento y un dispositivo de microespejo digital permitió la visualización de partículas al mismo tiempo que brindaba un control preciso de la temperatura y la capacidad de aplicar luz con patrones específicos sobre la muestra.

"Creé una configuración que permite obtener imágenes de la formación de superestructuras (por ejemplo, cristales) a temperaturas específicas, al mismo tiempo que obtengo la capacidad de modificar o eliminar estructuras no deseadas mediante la aplicación de patrones de luz locales", dice Hage. "En procesos futuros, este doble control podría usarse para hacer estructuras autoensambladas para una variedad de aplicaciones, como sensores avanzados o cristales fotónicos para dispositivos fotónicos".

Hage ahora continuará el trabajo de su Ph.D. como parte de una posición postdoctoral de 4 meses en el mismo grupo. "Tengo muchas ganas de seguir trabajando para optimizar aún más el sistema y luego transferir el conocimiento a otros miembros del grupo". + Explora más

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