Los mesocristales son una clase de sólidos formados por la disposición regular de nanocristales, que son nanopartículas diminutas que tienen propiedades únicas debido a su pequeño tamaño. En los mesocristales, estos adquieren una forma superordenada altamente organizada en una cuadrícula densamente empaquetada. Un equipo de investigación germano-suizo dirigido por el profesor Helmut Cölfen, un químico de Konstanz, ha logrado sintetizar mesocristales particularmente complejos con propiedades químicas y físicas en gran parte desconocidas y arrojar luz sobre su estructura.

¿Qué es tan especial? Dos nanocristales diferentes, cubos de platino y magnetita, son los componentes básicos de los nuevos sólidos que se autoensamblan en una superestructura tridimensional. Hasta ahora, los mesocristales de dos bloques de construcción básicos diferentes, llamados mesocristales binarios, solo podían producirse como estructuras bidimensionales.

La vía sintética y la caracterización estructural de los mesocristales binarios 3D de nanocristales de platino y magnetita se acaban de describir en la revista Angewandte Chemie International Edition . Los resultados del estudio son el primer paso hacia un posible "sistema de conjuntos de construcción" que podría hacer posible en el futuro combinar las propiedades de diferentes nanocristales de manera específica y transferirlos al micromundo más manejable, lo que resulta en una multitud de posibles ventajas y aplicaciones.

Nanotecnología en la Antigua Roma

Los componentes básicos de los mesocristales son los nanocristales. Debido a su pequeño tamaño, que puede ser incluso más pequeño que el de los virus, muestran propiedades únicas de las que carecen las partículas más grandes del mismo material. Esto incluye el 'efecto de tamaño cuántico' que suena complicado, que se puede observar en nanopartículas semiconductoras con un diámetro en el rango de nanómetros que da como resultado un color dependiente del tamaño, que juega un papel importante en la producción de LED, entre otras cosas. Otro ejemplo es el efecto de resonancia de plasmones superficiales, que confiere a las nanopartículas metálicas propiedades ópticas dependientes del tamaño.

La humanidad hizo uso de algunas de estas nanopropiedades ya en la época del Imperio Romano. Un ejemplo famoso es la Copa Lycurgus del siglo IV, ahora en exhibición en el Museo Británico, cuyos elementos de vidrio cambian de color según la incidencia de la luz y el ángulo de visión. La razón:el vaso de la copa está impregnado con nanopartículas de oro y plata que demuestran el efecto de resonancia de plasmón superficial. Los colores fuertes y duraderos de las ventanas de las iglesias medievales también se basan en este efecto, ya que hay nanopartículas de oro en el vidrio de las ventanas.

Lo mejor de dos mundos

"Al crear mesocristales a partir de nanocristales, ahora es posible transferir estas y otras propiedades, que antes estaban reservadas para los sólidos más pequeños, a sólidos con tamaños en el rango de micrómetros", explica Helmut Cölfen, profesor de química física en la Universidad de Konstanz y jefe del proyecto de investigación. "Esto hace que los mesocristales sean objetos extremadamente interesantes en la investigación de materiales".

La escala micrométrica incluye objetos hasta 100 000 veces más grandes que las nanopartículas, que aún es muy pequeño, pero marca una gran diferencia en la manejabilidad de las partículas. Por ejemplo, las partículas con tamaños en el rango de los micrómetros se pueden filtrar mucho mejor que las nanopartículas. En el caso de sólidos como los mesocristales, esto también elimina una desventaja decisiva de las nanopartículas:su toxicidad potencial. En el pasado, las nanopartículas se han convertido cada vez más en el foco de la investigación de la salud, ya que pueden ingresar fácilmente al cuerpo a través de la piel, los alimentos o el aliento cuando no están unidas. "Debido a su pequeño tamaño, las nanopartículas pueden superar importantes barreras protectoras del cuerpo humano. Los mesocristales significativamente más grandes, por el contrario, no pueden", dice Helmut Cölfen.

Alcanzar la meta con paciencia

Como se describe en el estudio actual, para producir los mesocristales binarios 3D únicos hasta ahora a partir de nanocristales de platino y magnetita descritos en el estudio actual, estos bloques de construcción básicos en forma de cubo se colocan primero en un solvente y se crea una dispersión. La relación de mezcla juega aquí un papel decisivo y luego se refleja en la composición del mesocristal. "Si tuviéramos que tomar una gota de la mezcla de bloques de construcción y simplemente dejar que el solvente se evapore, también obtendríamos un mesocristal binario, pero sería bidimensional en lugar de tridimensional. Por lo tanto, tuvimos que pensar en algo nuevo. para crear mesocristales tridimensionales", informa Helmut Cölfen.

La clave del éxito:la desaceleración. Para ello, la dispersión con los nanocristales se coloca en un recipiente cerrado adicional que contiene una sustancia química en la que los nanocristales no pueden disolverse, un "no disolvente", por así decirlo. Después de eso, solo tienes que esperar y ver. Lentamente, en el transcurso de varios días, el no solvente se evapora gradualmente y se mezcla cada vez más con la dispersión de nanocristales. "En algún momento, los nanocristales comienzan a interactuar acoplándose entre sí debido al aumento de no solvente en la dispersión. Normalmente, algo como esto sucede de manera rápida e incontrolable. Al extender el proceso a través de la evaporación del no solvente sobre varios días y, por lo tanto, reduciendo el efecto del disolvente real solo gradualmente en lugar de repentinamente, el proceso está mucho más controlado. El resultado de nuestro método son "mesocristales tridimensionales grandes", explica Helmut Cölfen.

Surgen nuevas propiedades inexploradas

Después de que los químicos de Konstanz, dirigidos por Helmut Cölfen, sintetizaron con éxito los mesocristales tridimensionales, caracterizaron su estructura exacta en cooperación con colegas suizos del Centro de análisis de rayos X de los Laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales (Empa) en St. Gallen y el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villingen. Pudieron demostrar que durante la síntesis se forman mesocristales binarios tridimensionales reales de nanocristales de platino y magnetita. Hasta ahora, los investigadores solo pueden especular sobre las propiedades físicas y químicas completas de estos nuevos sólidos.

La combinación de las dos propiedades daría como resultado un muy buen catalizador químico debido al componente de platino, que a su vez podría separarse fácilmente y recuperarse con un imán después de su uso debido al componente de magnetita. El valioso material platino no se perdería. Sin embargo, los mesocristales no solo conservan las propiedades de los nanocristales que contienen, sino que también poseen propiedades que van más allá de las de sus componentes individuales. "Cuando los nanocristales individuales interactúan y se acoplan en la estructura de orden superior del mesocristal, se crean propiedades colectivas completamente nuevas que las partículas individuales no tienen en absoluto", explica Helmut Cölfen con entusiasmo y continúa:"Explorándolas en detalle en el futuro será extremadamente emocionante".

El primer paso hacia un posible sistema de kits de construcción

La producción de mesocristales tridimensionales a partir de nanocubos de platino y magnetita no será el final de la historia. Por el contrario, el objetivo es combinar otros nanocristales también en el futuro utilizando el proceso desarrollado. Según los investigadores, sus resultados son más bien el primer paso hacia un posible sistema de kit de construcción:"Nuestro objetivo es refinar el método para que, idealmente, se pueda combinar una amplia variedad de nanocristales y sus propiedades de la manera que queramos, tipo de como ladrillos LEGO", Helmut Cölfen da una perspectiva y continúa con una sonrisa:"El mesocristal de magnetita de platino sería entonces la primera torre pequeña, por así decirlo, que construimos con nuestras piedras".

"Producir estructuras como nuestros mesocristales binarios tridimensionales era precisamente uno de los objetivos de este Centro de Investigación Colaborativa. Lo que tenemos que hacer ahora es caracterizar las interacciones entre los nanobloques de construcción y estudiar las propiedades novedosas resultantes", concluye. Helmut Colfen. + Explora más

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