Su teoría y modelo computacional, publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , permite la máxima economía de diseño, o la estructura más grande posible utilizando la menor cantidad de piezas programables y autoensamblables.

Uno de los santos griales de la ciencia de los materiales es emular la capacidad de la naturaleza para formar materiales autoensamblables, complejos y robustos que luego puedan crear estructuras capaces de desempeñar una amplia gama de funciones. Piense en las nanoestructuras cristalinas que se forman en las alas de una mariposa y cuya forma y tamaño precisos determinan exactamente qué longitudes de onda de luz reflejar, dando a las diferentes especies sus marcas distintivas.

"Nos inspiramos en el autoensamblaje de virus", afirma Greg Grason, profesor de ciencia de polímeros en la UMass Amherst y autor principal del artículo.

"Aunque algunos virus pueden plantear riesgos desde una perspectiva de salud, tienen un increíble diseño de 'cierre automático'. Muchos tienen una cubierta esférica rígida y altamente simétrica, y esta cubierta está construida con la menor cantidad posible de disposiciones de proteínas. La cubierta es también el tamaño justo:si es más grande, no podría infectar a su huésped; si es más pequeño, el virus no sería lo suficientemente poderoso. Queremos poder crear materiales que puedan autoensamblarse económicamente. forma perfecta, como los virus, excepto que queremos diseñar tipos de geometrías completamente diferentes".

Grason y su equipo, incluidos colegas de las universidades de Brandeis y Syracuse, así como los autores coautores Carlos M. Duque y Douglas M. Hall, quienes completaron esta investigación como parte de sus estudios de posgrado en la UMass Amherst, no son los primeros inspirarse en los virus.

En la década de 1960, un par de biólogos estructurales llamados Donald Caspar y el ganador del Premio Nobel Aaron Klug, inspirados por las famosas cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller, se dieron cuenta de que la estructura de sus cúpulas también describía capas de virus. Luego derivaron un conjunto de principios de diseño, llamados principios de simetría de Caspar-Klug, que describen cómo construir una estructura que encierre el mayor volumen posible con la menor cantidad de bloques de construcción.

"Inspirándonos en la belleza y elegancia de la construcción de Caspar-Klug para capas virales icosaédricas, desarrollamos una hoja de ruta para encontrar reglas de diseño económicas que puedan ayudarnos a diseñar una amplia gama de nanoestructuras muy útiles", dice Duque.

Sin embargo, el principio de simetría de Caspar-Klug solo describe estructuras con curvaturas positivas o formas, como una cúpula, que se curvan hacia adentro en todas las direcciones.

"Nos preguntamos qué pasaría si se invirtiera la curvatura de modo que las curvas estuvieran en direcciones opuestas entre sí, como una papa frita Pringles", dice Grason.

"¿Qué tipos de geometrías de cierre automático podrían formarse con curvatura negativa y podrían preservar la economía del conjunto Caspar-Klug?"

Las estructuras con este tipo de curvatura negativa tienen una estructura esponjosa construida con agujeros y tubos interconectados y, de hecho, están estrechamente relacionadas con las nanoestructuras fotónicas formadas en las escamas de las alas de las mariposas.

Para responder a sus preguntas, Grason y sus coautores diseñaron un modelo computacional que demostró que las estructuras con una curvatura negativa triple periódica podrían preservar la economía de ensamblaje que Caspar y Klug observaron en virus esféricos.

"Somos capaces de ampliar la economía de las formas con una curvatura positiva a un conjunto mucho más complejo de estructuras que se pueden realizar ensamblando bloques de construcción 'programables' que se pueden fabricar utilizando los enfoques de la nanotecnología del ADN o el diseño de proteínas de novo. ", dice Grason.

"Nuestro trabajo modela el proceso de montaje", afirma Hall.

"Primero, unos pocos bloques de construcción se unen para formar un parche curvado negativamente, como una papa frita con bordes ásperos. A medida que el parche crece, la superficie se cierra sobre sí misma y forma canales que se extienden en las tres dimensiones. La disposición altamente regular de canales es lo que permite la aparición de nuevos materiales potenciales con colores brillantes o la capacidad de atenuar sonidos."