Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan ha desarrollado un nuevo método para ensamblar partículas en cristales coloidales, un tipo valioso de material utilizado para sensores químicos y biológicos y dispositivos de detección de luz. Usando este método, el equipo ha demostrado por primera vez cómo se pueden diseñar estos cristales de formas que no se encuentran en la naturaleza.

El equipo utilizó Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, para confirmar su descubrimiento fundamental.

"Un potente haz de rayos X permite las mediciones de alta resolución que necesita para estudiar este tipo de ensamblaje. El APS es una instalación ideal para realizar esta investigación", comentó Byeongdu Lee, del Laboratorio Nacional de Argonne.

"Hemos descubierto algo fundamental sobre el sistema para fabricar nuevos materiales", dijo Chad A. Mirkin, profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. "Esta estrategia para romper la simetría reescribe las reglas para el diseño y la síntesis de materiales".

La investigación fue dirigida por Mirkin y Sharon C. Glotzer, presidente del departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke en la Universidad de Michigan, y se publicó en la revista Nature Materials. .

Los cristales coloidales son partículas muy pequeñas con otras partículas más pequeñas (llamadas nanopartículas) dispuestas en su interior de forma ordenada o simétrica. Se pueden diseñar para aplicaciones que van desde sensores de luz y láser hasta comunicaciones e informática. Para esta investigación, los científicos intentaron romper la simetría natural de la naturaleza, que tiende a ordenar las partículas diminutas de la manera más simétrica.

"Imagínese que está apilando pelotas de baloncesto en una caja", dijo Byeongdu Lee de Argonne, líder de grupo en APS y autor del artículo. "Tendría una forma específica de hacerlo que obtendría el máximo valor del espacio. Así es como lo hace la naturaleza".

Sin embargo, dice Lee, si las bolas se desinflan en cierta medida, puedes apilarlas en un patrón diferente. El equipo de investigación, dijo, está tratando de hacer lo mismo con los nanomateriales, enseñándoles a autoensamblarse en nuevos patrones.

Para esta investigación, los científicos usaron ADN, la molécula dentro de las células que transporta la información genética. Los científicos han aprendido lo suficiente sobre el ADN como para poder programarlo para que siga instrucciones específicas. Este equipo de investigación usó ADN para enseñar a las nanopartículas metálicas a ensamblarse en nuevas configuraciones. Los investigadores adhirieron moléculas de ADN a las superficies de nanopartículas de diferentes tamaños y descubrieron que las partículas más pequeñas se movían alrededor de las más grandes en los espacios entre ellas, mientras aún unían las partículas en un nuevo material.

"El uso de nanopartículas grandes y pequeñas, donde las más pequeñas se mueven como electrones en un cristal de átomos de metal, es un enfoque completamente nuevo para construir estructuras de cristal coloidal complejas", dijo Glotzer.

Al ajustar este ADN, los científicos cambiaron los parámetros de las pequeñas partículas equivalentes a electrones y, por lo tanto, cambiaron los cristales resultantes.

"Exploramos estructuras más complejas donde el control sobre el número de vecinos alrededor de cada partícula produjo una mayor ruptura de la simetría", dijo Glotzer. "Nuestras simulaciones por computadora ayudaron a descifrar los patrones complicados y revelar los mecanismos que permitieron que las nanopartículas los crearan".

Este enfoque sentó las bases para tres nuevas fases cristalinas nunca antes sintetizadas, una de las cuales no tiene un equivalente natural conocido.

"Los ensamblajes de partículas coloidales siempre tienen alguna analogía en el sistema atómico natural", dijo Lee. "Esta vez, la estructura que encontramos es completamente nueva. Por la forma en que se ensambla, no hemos visto metales, aleaciones metálicas u otros materiales ensamblarse naturalmente de esta manera".

"Aún no conocemos las propiedades físicas del material", dijo Lee. "Ahora se lo entregamos a los científicos de materiales para que creen este material y lo estudien".

El equipo utilizó los haces de rayos X ultrabrillantes del APS para confirmar la nueva estructura de sus cristales. Utilizaron los instrumentos de dispersión de rayos X de ángulo pequeño de alta resolución en las líneas de luz 5-ID y 12-ID para crear imágenes precisas de la disposición de las partículas que habían creado.

"Un potente haz de rayos X permite las mediciones de alta resolución que necesita para estudiar este tipo de ensamblaje", dijo Lee. "La APS es una instalación ideal para realizar esta investigación".

El APS se encuentra actualmente en una actualización masiva, que Lee señaló que permitirá a los científicos determinar estructuras aún más complejas en el futuro. Los instrumentos del 12-ID también se están actualizando para aprovechar al máximo los haces de rayos X más brillantes que estarán disponibles.

Estos cristales coloidales de baja simetría tienen propiedades ópticas que no se pueden lograr con otras estructuras cristalinas y pueden encontrar uso en una amplia gama de tecnologías. Sus propiedades catalíticas también son diferentes. Pero las nuevas estructuras reveladas aquí son solo el comienzo de las posibilidades ahora que se comprenden las condiciones para romper la simetría.

"Estamos en medio de una era sin precedentes de síntesis y descubrimiento de materiales", dijo Mirkin. "Este es otro paso adelante para sacar materiales nuevos e inexplorados del cuaderno de bocetos y ponerlos en aplicaciones que puedan aprovechar sus propiedades raras e inusuales". + Explora más

Estudio revela cómo romper la simetría en cristales coloidales