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(noticias nanowerk) Los sistemas complejos en la naturaleza, al igual que sus contrapartes sintéticas en la tecnología, constan de una gran cantidad de pequeños componentes que se ensamblan a través de interacciones moleculares. Una mejor comprensión de los principios y mecanismos de esta autoorganización es importante para el desarrollo de nuevas aplicaciones en áreas como la nanotecnología y la medicina.
El profesor Erwin Frey, titular de la Cátedra de Física Estadística y Biológica de la LMU y miembro del Grupo de Excelencia ORIGINS, y su asistente de investigación, el Dr. Florian Gartner ha examinado ahora un aspecto de la autoorganización que hasta ahora había recibido poca atención: ¿Qué papel juega la forma? ¿Y el número de posibles enlaces entre partículas influye?
Como informan los investigadores en la revista Examen físico X (“Principios de diseño para procesos de autoorganización rápidos y eficientes”), sus resultados muestran que las morfologías hexagonales, es decir, estructuras de seis lados, como las moléculas con seis sitios de unión, son ideales para la autoorganización.
Los fenómenos de escala despiertan el interés de los investigadores
«Cuando examinamos un modelo general de autoorganización, descubrimos que el tiempo de montaje aumentaba con el tamaño de la estructura objetivo», dice Gartner. «Por lo tanto, nos preguntamos si la forma de las partículas podría influir significativamente en la rapidez con la que el tiempo de montaje necesario aumenta con el tamaño de la estructura objetivo y, por lo tanto, en la eficiencia de los procesos de autoorganización». El tiempo con el tamaño de la estructura objetivo define lo que llamamos la complejidad temporal del autoensamblaje”.
Siguiendo esta idea, los científicos desarrollaron un modelo matemático para analizar el comportamiento del sistema durante el autoensamblaje. Sus resultados muestran que la morfología de los bloques de construcción juega realmente un papel importante. Teniendo en cuenta, entre otras cosas, la escala y la cinética de los sistemas, Frey y Gartner pudieron demostrar que las formas hexagonales ofrecen importantes ventajas para la autoorganización. Por ejemplo, la construcción de estructuras a partir de mil bloques de construcción se puede realizar casi cuatro órdenes de magnitud más rápido con bloques de construcción hexagonales que con bloques triangulares.
Este principio del hexágono se aplica generalmente a la morfología, que describe no sólo la forma de las partículas sino también el número y la posición de sus enlaces: seis posibles enlaces con partículas vecinas resultaron ideales para construir estructuras más grandes. Pueden ser enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas.
También existen análogos de este patrón en la naturaleza, por ejemplo en la autoorganización de las cápsides virales. Este proceso comienza con la disposición de pequeñas partes triangulares en hexágonos, que luego se combinan con pentágonos para formar las estructuras icosaédricas de las cápsides virales.
Posibles aplicaciones
Según los científicos, sus resultados aportan conocimientos valiosos para la nanotecnología. El principio del hexágono podría aplicarse para optimizar la autoorganización de estructuras pequeñas en estructuras más grandes, en términos de la forma de los bloques de construcción o la posibilidad de enlaces y relaciones de vecindad con otras partículas.
Mediante una autoorganización jerárquica podría ser posible, por ejemplo, formar partículas con una morfología especialmente ventajosa (por ejemplo, hexágonos) en un primer paso de montaje para aumentar la eficiencia de todo el proceso de montaje.
«Si comprende qué morfologías de monómeros conducen a un autoensamblaje eficiente, puede seleccionar específicamente estas formas y evitar formas ineficientes que se ensamblan lentamente», explica Gartner. «Un ejemplo de cómo se podría utilizar esta estrategia es la síntesis de cápsides virales artificiales para aplicaciones biomédicas».
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