La naturaleza puede aborrecer el vacío, pero seguro que ama la estructura. Ensambles complejos y autoorganizados se encuentran en todo el mundo natural, desde moléculas de ADN de doble hélice hasta los cristales fotónicos que hacen que las alas de las mariposas sean tan coloridas e iridiscentes.

Un proyecto dirigido por Cornell ha creado nanoclusters sintéticos que pueden imitar este autoensamblaje jerárquico desde la escala nanométrica hasta la centimétrica, abarcando siete órdenes de magnitud. Las películas delgadas sintéticas resultantes tienen el potencial de servir como sistema modelo para explorar sistemas jerárquicos biomiméticos y futuras funciones avanzadas.

El artículo del grupo, "Estructuras jerárquicas multiescala de una mesofase de nanocúmulos", publicado el 14 de abril en Nature Materials .

Anteriormente, el mayor obstáculo para crear este tipo de nanomaterial sintético ha sido la falta de bloques de construcción a nanoescala con la versatilidad necesaria para interactuar en muchas escalas de longitud, lo que les permite organizarse en estructuras complejas, como las que se encuentran en las biomoléculas.

Entonces, un equipo dirigido por los coautores principales Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería, y Tobias Hanrath, profesor en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular, recurrió al sulfuro de cadmio, un verdadero material para la investigación de nanopartículas.

A diferencia de los esfuerzos anteriores para sintetizar el compuesto, el grupo realizó una versión de síntesis de alta concentración que utilizó muy poco solvente. El proceso produjo "grupos de tamaño mágico" de 57 átomos, de aproximadamente 1,5 nanómetros de longitud. Cada una de estas nanopartículas tenía una capa de ligandos (moléculas de unión especiales) que podían interactuar entre sí de tal manera que formaban filamentos de varias micras de largo y cientos de nanómetros de ancho. Los filamentos estaban "periódicamente decorados con estos grupos de tamaño mágico, como una supercarretera de autos, con un espacio perfecto entre ellos", según Robinson.

"Si miras hacia el frente del filamento, hacia el centro, está organizado radialmente y tiene una estructura hexagonal", dijo. "Y debido a que estos filamentos estructurados tienen enredos atractivos, resulta que cuando se secan en las condiciones adecuadas, se autoensamblan con un orden de largo alcance".

Sorprendentemente, al controlar cuidadosamente la geometría evaporativa, los filamentos se retorcieron en cables más grandes que tienen cientos de micrones de largo, y luego los cables se agruparon y alinearon en bandas muy ordenadas, lo que finalmente resultó en una película delgada que tiene un patrón en escalas de centímetros.

"Por lo general, no se puede sintetizar algo que tenga una organización jerárquica desde el nanómetro hasta siete órdenes de magnitud más grande. Creo que esa es realmente la salsa especial", dijo Robinson. "Los ensamblajes imitan muchos productos naturales interesantes (mineralización natural, fotónica natural), cosas que ocurren en la naturaleza que no hemos podido reproducir con éxito en el laboratorio".

La mezcla de interacciones orgánicas e inorgánicas otorga a los grupos de tamaño mágico la capacidad de crear películas con patrones periódicos perfectos. El hecho de que la película delgada pueda mostrar todo el espectro de un arcoíris, como demostraron los investigadores, es una prueba de su estructura impecable.

"Es probable que la gente no haya visto esto antes porque la mayoría de las síntesis se han realizado en concentraciones bajas, por lo que tiene mucho solvente. No tienen las mismas interacciones ligando-ligando", dijo. "Cambiamos eso. Movimos la escala un clic del lugar decimal y creamos esta síntesis sin solvente".

Uno de los aspectos más intrigantes de la película de nanomateriales es que muestra propiedades ópticas quirales (la absorción no simétrica de la luz polarizada) que probablemente se manifiesten a nivel de nanopartículas, y esta característica se amplifica hasta la escala macroscópica. Las películas delgadas también comparten algunas similitudes sorprendentes con los cristales líquidos.

Para comprender mejor el comportamiento de la autoorganización, Robinson y Hanrath consultaron a un grupo de colaboradores.

Lena Kourkoutis, profesora asociada de física aplicada e ingeniería, manejó la microscopía electrónica que permitió al equipo ver dónde se ubicaban las nanopartículas dentro de los filamentos. Julia Dshemuchadse, profesora asistente en ciencia e ingeniería de materiales, teorizó las reglas que rigen el ensamblaje y la estabilidad de los filamentos. Investigadores de la Universidad de Toronto y el Instituto de Tecnología de Rochester estimaron las interacciones entre los dipolos eléctricos que orientan los cúmulos y desarrollaron un modelo teórico que mostraba por qué el método de evaporación hacía que los nanocúmulos formaran una película perfectamente periódica, respectivamente.

El descubrimiento de las notables estructuras multiescala abre nuevas vías para desarrollar tecnologías que aprovechen sus propiedades quirópticas emergentes.

"Las interacciones luz-materia únicas de estos metamateriales quirópticos se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones potenciales, desde detección, catálisis y detectores de luz polarizada circular hasta perspectivas más avanzadas en espintrónica, computación cuántica y holografía", dijo Hanrath. + Explora más

Investigadores crean nanoclusters que imitan biomoléculas