La naturaleza guarda algunos secretos. Si bien en la naturaleza se encuentran muchas estructuras con baja simetría, los científicos se han limitado a diseños de alta simetría al sintetizar cristales coloidales, un tipo valioso de nanomaterial utilizado para sensores químicos y biológicos y dispositivos optoelectrónicos.

Ahora, una investigación de la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan ha abierto el telón y muestra por primera vez cómo se pueden fabricar cristales coloidales de baja simetría, incluida una fase para la que no se conoce un equivalente natural.

"Hemos descubierto algo fundamental sobre el sistema para fabricar nuevos materiales", dijo Chad A. Mirkin de Northwestern. "Esta estrategia para romper la simetría reescribe las reglas para el diseño y la síntesis de materiales".

La investigación se publicó hoy (13 de enero) en la revista Nature Materials.

Mirkin es profesor de Química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg; profesor de ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick; y profesor de medicina en la Escuela de Medicina Feinberg. También es el director fundador del Instituto Internacional de Nanotecnología.

La investigación fue dirigida por Mirkin y Sharon C. Glotzer, presidente del Departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke de la Universidad de Michigan.

Las nanopartículas se pueden programar y ensamblar en conjuntos ordenados conocidos como cristales coloidales, que se pueden diseñar para aplicaciones que van desde sensores de luz y láseres hasta comunicaciones e informática.

"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.

En esta investigación, se utilizaron nanopartículas de metal cuyas superficies estaban recubiertas con ADN de diseño para crear los cristales. El ADN actuó como un material de unión codificable, transformándolos en lo que se denominan átomos equivalentes programables (PAE). Este enfoque ofrece un control excepcional sobre la forma y los parámetros de las redes cristalinas, ya que las nanopartículas se pueden "programar" para organizarse de formas específicas, siguiendo un conjunto de reglas desarrolladas previamente por Mirkin y sus colegas.

Sin embargo, hasta este momento, los científicos no han encontrado una forma de preparar redes con ciertas simetrías cristalinas. Debido a que muchos PAE son isotrópicos, lo que significa que sus estructuras son uniformes en todas las direcciones, tienden a organizarse en conjuntos altamente simétricos y es difícil crear redes de baja simetría. Esto ha limitado los tipos de estructuras que se pueden sintetizar y, por lo tanto, las propiedades ópticas que se pueden realizar con ellas.

El avance se produjo a través de un nuevo enfoque para controlar la valencia. En química, la valencia está relacionada con la disposición de los electrones alrededor de un átomo. Determina el número de enlaces que puede formar el átomo y la geometría que asume. Sobre la base de un descubrimiento reciente de que los PAE pequeños pueden comportarse como equivalentes de electrones, deambulando y estabilizando redes de PAE más grandes, los investigadores de Northwestern y Michigan alteraron la valencia de sus equivalentes de electrones ajustando la densidad de las hebras de ADN injertadas en sus superficies. /P>

A continuación, utilizaron microscopía electrónica avanzada para observar cómo el cambio de valencia de los equivalentes de electrones afectaba su distribución espacial entre los PAE y, por lo tanto, las redes resultantes. También examinaron los efectos del cambio de temperatura y la alteración de la proporción de PAE a equivalentes de electrones.

"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. Uno, una estructura triple de doble giroide, no tiene equivalente natural conocido.

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".

Glotzer también es profesor universitario distinguido de ingeniería John Werner Cahn, profesor colegiado de ingeniería química Stuart W. Churchill y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ciencia e ingeniería macromolecular y física en la Universidad de Michigan. Byeongdu Lee del Laboratorio Nacional de Argonne es autor correspondiente con Mirkin y Glotzer. + Explora más

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