Los nanoclusters se autoensamblan en matrices jerárquicas de un centímetro

Los nanoclusters se autoensamblan en matrices jerárquicas de un centímetro


16 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) La naturaleza puede aborrecer el vacío, pero ama la estructura. Las matrices complejas autoensambladas se encuentran en todas partes en la naturaleza, desde moléculas de ADN de doble hélice hasta los cristales fotónicos que hacen que las alas de las mariposas sean tan coloridas e iridiscentes.

Un proyecto dirigido por Cornell ha creado nanoclusters sintéticos que pueden imitar este autoensamblaje jerárquico desde la escala nanométrica hasta la centimétrica en siete órdenes de magnitud. Las películas delgadas sintéticas resultantes tienen el potencial de servir como sistema modelo para explorar sistemas jerárquicos biomiméticos y futuras funciones avanzadas. Esta imagen muestra nanopartículas sintéticas que se autoensamblan en filamentos, luego se tuercen en cables y luego se agrupan en cintas altamente ordenadas. Esta imagen muestra nanopartículas sintéticas que se autoensamblan en filamentos, luego se retuercen en cables y luego se agrupan en cintas altamente ordenadas, lo que finalmente da como resultado una película delgada con un patrón en una escala de centímetros. (Imagen cortesía de los investigadores)

Esta imagen muestra nanopartículas sintéticas que se autoensamblan en filamentos, luego se retuercen en cables y luego se agrupan en cintas altamente ordenadas, lo que finalmente da como resultado una película delgada con un patrón en una escala de centímetros.

El artículo del grupo, publicado en materiales naturales («Estructuras jerárquicas multiescala de una mesofase de nanocluster»). El autor principal es el postdoctorado Haixiang Han del Grupo Robinson.

Hasta ahora, el principal obstáculo para fabricar este tipo de nanomaterial sintético ha sido la falta de bloques de construcción a nanoescala con la versatilidad necesaria para interactuar en muchas escalas de longitud y permitirles organizarse en estructuras complejas como las que se encuentran en las biomoléculas.

Entonces, un equipo dirigido por los coautores principales Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería, y Tobias Hanrath, profesor de la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular, recurrió al sulfuro de cadmio, un material real comprobado para investigación de nanopartículas.

A diferencia de los intentos anteriores de sintetizar el compuesto, el grupo realizó una versión altamente concentrada de la síntesis que utilizó muy poco solvente. El proceso creó «grupos mágicos» de 57 átomos de aproximadamente 1,5 nanómetros de largo. Cada una de estas nanopartículas tenía una capa de ligandos, moléculas de unión especiales, que podían interactuar entre sí para formar filamentos de varios micrómetros de largo y cientos de nanómetros de ancho. Los filamentos, según Robinson, «estaban adornados con estos grupos de tamaño mágico a intervalos regulares, como una autopista de automóviles, con un espacio perfecto entre ellos».

«Si miras hacia abajo, al frente del filamento, en el medio, está organizado radialmente y estructurado hexagonalmente», dijo. «Y debido a que estos filamentos estructurados exhiben enredos atractivos, resultan autoensamblados con un orden de largo alcance cuando se secan en las condiciones adecuadas».

Sorprendentemente, al controlar cuidadosamente la geometría de vaporización, los filamentos se retorcieron en haces más grandes de cientos de micrones de largo, y luego los haces se agruparon y alinearon en cintas altamente ordenadas, lo que finalmente resultó en una película delgada con un patrón en una escala de centímetros.

“Normalmente no se puede sintetizar nada que tenga una organización jerárquica desde el nanómetro hasta siete órdenes de magnitud más grande. Creo que esa es realmente la salsa especial», dijo Robinson. «Los ensamblajes imitan muchos productos naturales interesantes (mineralización natural, fotónica natural), cosas que ocurren en la naturaleza que no hemos podido reproducir con éxito en el laboratorio».

La combinación de interacciones orgánicas e inorgánicas le da a los grupos de tamaño mágico la capacidad de crear películas con patrones periódicos perfectos. El hecho de que la película delgada pueda representar todo el espectro de un arco iris, como demostraron los investigadores, es una prueba de su estructura impecable.

«Es probable que la gente nunca haya visto esto antes porque la mayoría de las síntesis se realizaron en concentraciones bajas, por lo que tienes mucho solvente. No tienen las mismas interacciones ligando-ligando», dijo. «Cambiamos eso. Cambiamos la escala un clic al lugar decimal y creamos esta síntesis sin solventes”.

Uno de los aspectos más intrigantes de la película de nanomateriales es que presenta propiedades ópticas quirales (la absorción no simétrica de la luz polarizada) que probablemente se manifiesten a nivel de nanopartículas, y esta propiedad se amplifica hasta la escala macroscópica. Las películas delgadas también comparten algunas similitudes sorprendentes con los cristales líquidos.

Para comprender mejor el comportamiento del autoensamblaje, Robinson y Hanrath consultaron a un grupo de colaboradores.

Lena Kourkoutis, Profesora Asociada de Física Aplicada e Ingeniería, se encargó de la microscopía electrónica, lo que permitió al equipo ver dónde se ubicaban las nanopartículas dentro de los filamentos. Yulia Dzhemukhadze, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales, teorizó las reglas que rigen la estructura y la estabilidad de los filamentos. Investigadores de la Universidad de Toronto y el Instituto de Tecnología de Rochester estimaron las interacciones entre los dipolos eléctricos que alinean los cúmulos y desarrollaron un modelo teórico que mostraba por qué el método de evaporación hacía que los nanocúmulos formaran una película perfectamente periódica.

El descubrimiento de las notables estructuras multiescala abre nuevas vías para desarrollar tecnologías que exploten sus propiedades quirópticas emergentes.

«Las interacciones luz-materia únicas de estos metamateriales quirópticos pueden explotarse para una variedad de aplicaciones potenciales, desde detección, catálisis y detectores de luz polarizados circularmente hasta perspectivas avanzadas en espintrónica, computación cuántica y holografía», dijo Hanrath.



Related post

Cómo los objetos tecnológicos brillantes distraen la atención de la política climática

Cómo los objetos tecnológicos brillantes distraen la atención de…

Soy ingeniero de formación y me encantan las cosas nuevas. Los últimos gadgets, ideas, diseños. Pero cuando se trata del clima,…
El programa interactivo de los científicos informáticos ayuda a planificar el movimiento para entornos con obstáculos – ScienceDaily

El programa interactivo de los científicos informáticos ayuda a…

Al igual que nosotros, los robots no pueden ver a través de las paredes. A veces necesitan un poco de ayuda…
Anuncio de los ganadores de los premios Databricks Data Team Awards 2022

Anuncio de los ganadores de los premios Databricks Data…

Los premios anuales Databricks Data Team Awards reconocen a los equipos de datos que aprovechan el poder de los datos y…

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.