En un artículo publicado en Science El 18 de enero, los científicos Chad Mirkin y Sharon Glotzer y sus equipos de la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan, respectivamente, presentan hallazgos en nanotecnología que podrían afectar la forma en que se fabrican los materiales avanzados.
El artículo describe un importante avance en el ensamblaje de nanopartículas poliédricas. Los investigadores presentan y demuestran el poder de una nueva estrategia sintética que amplía las posibilidades en el diseño de metamateriales. Estos son los materiales inusuales que sustentan las "capas de invisibilidad" y los sistemas informáticos ópticos de ultra alta velocidad.
"Manipulamos materiales a macroescala en la vida cotidiana usando nuestras manos", afirmó Mirkin, profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg.
"Incluso los niños en edad preescolar pueden manipular fácilmente bloques de construcción de juguete, uniéndolos muy bien para llenar el espacio. En la nanoescala, no podemos usar nuestras manos para manipular bloques de construcción de nanopartículas debido a la gran diferencia de tamaño entre nuestras manos y las nanopartículas.
"Porque el ADN y las nanopartículas tienen dimensiones en la misma escala de longitud y podemos codificar químicamente partículas con ADN para que puedan diseñarse para reconocer partículas complementarias y, por lo tanto, el ADN efectivamente se convierte en nuestras manos".
Estas "manos" están diseñadas para reconocer partículas con formas complementarias y organizarlas para formar estructuras que llenen el espacio.
Los enfoques convencionales para diseñar cristales de nanopartículas utilizando ADN como elemento de unión aún tienen que conducir a disposiciones de mosaicos tridimensionales (3D) llenos de espacio. Para obtener estos útiles cristales llenos de espacio, los investigadores de Northwestern emplearon ligandos moleculares más cortos y flexibles que los que se utilizan habitualmente. Específicamente, emplearon ADN modificado con oligoetilenglicol.
Las unidades de oligoetilenglicol actúan como un tipo de amortiguador que se ajusta a la longitud adecuada para garantizar que las formas encajen de manera casi perfecta.
Hasta ahora, este nuevo material de construcción ha llevado a la síntesis de 10 nuevos cristales coloidales que no serían posibles de preparar de otra manera y que tienen el potencial de usarse para el diseño y construcción de metamateriales con propiedades sin precedentes.
Las nanopartículas son inherentemente imperfectas (incluso las individuales producidas en el mismo lote sintético tienen tamaños y formas ligeramente diferentes) y esta característica puede limitar su capacidad para llenar el espacio de manera eficiente cuando se ensamblan. Además, las hebras de ADN utilizadas tradicionalmente en el ensamblaje son casi tan largas o más largas que el diámetro de las partículas y, por lo tanto, han enmascarado algunas contribuciones cruciales de la geometría de las partículas en la unión. El resultado:se ha descubierto que las partículas con facetas bien definidas se comportan como partículas menos complejas geométricamente.
El equipo superó estos dos obstáculos al desacoplar las contribuciones de la capa del ligando del ADN y la forma de la nanopartícula. De hecho, las hebras de ADN son esenciales para el proceso de ensamblaje:son el "pegamento" que se manipula para mantener unidas las partículas. Pero los investigadores utilizaron cadenas de ADN que eran mucho más cortas y más flexibles.
El ADN corto permite revelar la complementariedad de forma de las nanopartículas y luego reflejarlas en el producto ensamblado. El ADN flexible proporciona el margen de maniobra necesario para adaptarse a ligeras imperfecciones en el tamaño y la forma de las nanopartículas poliédricas.
Este margen de maniobra permite que las nanopartículas con formas imperfectas creen mosaicos como los de las formas perfectas. De esta manera, se formaron ensamblajes altamente ordenados mediante alineación cara a cara.
"Al desacoplar las contribuciones de la capa del ligando del ADN y la forma del núcleo, hemos desbloqueado una nueva frontera en nanotecnología, permitiendo la creación de cristales coloidales altamente ordenados con formas y tamaños que antes se consideraban imposibles de realizar. Este avance no sólo amplía el alcance de cristales coloidales, sino que también presenta un conjunto de herramientas versátil para diseñar metamateriales", afirmó Wenjie Zhou, ex estudiante de posgrado del Grupo Mirkin y uno de los autores principales del estudio.
Sorprendentemente, esta nueva estrategia permite dos estrategias de diseño importantes. En primer lugar, los bloques de construcción poliédricos imperfectos o aquellos con formas completamente diferentes se pueden ensamblar en estructuras muy ordenadas que llenen el espacio. En segundo lugar, el ADN flexible proporciona grados adicionales de libertad en el ensamblaje de nanopartículas poliédricas que no llenan el espacio, lo que lleva a la creación de cristales complejos con simetrías que antes no se podían lograr con la ingeniería de cristales coloidales con ADN.
La investigación demuestra la capacidad de diseñar cristales coloidales grandes que llenen el espacio utilizando consideraciones geométricas simples. Las asambleas presentadas representan sólo una fracción del vasto espacio de diseño de esta estrategia revolucionaria. Debido a esto, será importante combinar experimentos y teoría para llegar a estructuras objetivo útiles.
"Aquí, el trabajo experimental fue confirmado mediante simulación in silico, y nuestro trabajo teórico ofreció nuevos conocimientos sobre lo que estaba sucediendo ex silico", afirmó Glotzer, jefe del Departamento de Ingeniería Química de Anthony C Lembke.
"Utilizando una combinación de ambos modos de investigación y trabajando juntos, nuestros grupos aprendieron mucho más sobre el sistema de lo que podríamos haber aprendido trabajando de forma independiente. Es por eso que el trabajo interdisciplinario representa lo mejor de la ciencia y la ingeniería".
En muchos sentidos, estos resultados fueron inesperados. Mirkin dice:"Está lejos de ser obvio que se puedan tomar dos sistemas altamente imperfectos y diseñar elementos de unión de ADN que produzcan cristales llenos de espacio casi perfectos. Es una demostración sorprendente de la utilidad del modelo de la naturaleza para codificar el resultado de un material".
Mirkin y Glotzer son los coautores del artículo titulado "Cristales coloidales en mosaico espacial a partir del emparejamiento de poliedros complementarios de forma forzados por el ADN".
Más información: Wenjie Zhou et al, Cristales coloidales en mosaico espacial a partir del emparejamiento de poliedros complementarios de forma forzados por el ADN, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad Northwestern
