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(noticias nanowerk) Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Massachusetts Amherst se ha inspirado en una variedad de motivos geométricos naturales, incluidos dados de 12 caras y patatas fritas, para ampliar un conjunto de principios de diseño familiares a una clase completamente nueva de materiales esponjosos que son autónomo puede construir estructuras controlables con precisión.
Su teoría y modelo computacional fueron publicados en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (“Límites de economía y fidelidad para el ensamblaje programable de poliedros periódicos triples de tamaño controlado”) 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 imitar la capacidad de la naturaleza para formar materiales robustos, complejos y autoensamblables que luego puedan crear estructuras que realicen una amplia gama de funciones. Consideremos las nanoestructuras cristalinas que se forman en las alas de una mariposa, cuya forma y tamaño precisos determinan exactamente qué longitudes de onda de luz reflejar, dando a las diferentes especies sus marcas distintivas.
![Serie de instantáneas de autoensamblaje simulado de nanoestructuras de silla de montar programables y de cierre de tamaño.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65132_1.jpg)
«Nos inspiramos en cómo se autoensamblan los virus», dice Greg Grason, profesor de ciencia de polímeros en la UMass Amherst y autor principal del artículo. “Aunque algunos virus pueden suponer un riesgo desde el punto de vista de la salud, tienen un increíble diseño de 'cierre automático'. Muchos tienen una capa esférica rígida y muy simétrica, y esta capa está formada por la menor cantidad posible de disposiciones de proteínas. El caparazón también tiene el tamaño justo: si fuera más grande, no podría infectar a su huésped; si fuera más pequeño, el virus no sería lo suficientemente fuerte. Queremos ser capaces de crear materiales que puedan autoensamblarse económicamente para darles la forma perfecta, como los virus, excepto que queremos desarrollar tipos de geometrías completamente diferentes”.
Grason y su equipo, incluidos colegas de las universidades de Brandeis y Syracuse y 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 en aprender sobre los virus. estar inspirado. En la década de 1960, inspirados por las famosas cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller, dos biólogos estructurales llamados Donald Caspar y el premio Nobel Aaron Klug se dieron cuenta de que la estructura de sus cúpulas también describía envolturas 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 posible de bloques de construcción.
«Inspirándonos en la belleza y elegancia del diseño de Caspar-Klug para envolturas de virus icosaédricos, desarrollamos una hoja de ruta para encontrar reglas de diseño económicas que puedan ayudarnos a desarrollar una amplia gama de nanoestructuras muy útiles», dice Duque.
Sin embargo, el principio de simetría de Caspar-Klug sólo 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 de la disposición de Caspar-Klug? Las estructuras con este tipo de curvatura negativa tienen una estructura similar a una esponja que consta de agujeros y tubos interconectados, y son en realidad, estrechamente relacionado 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 curvatura negativa de triple período pueden preservar la economía de ensamblaje observada por Caspar y Klug para virus esféricos.
«Somos capaces de ampliar la economía de las formas de curvatura positiva a un conjunto mucho más complejo de estructuras que se pueden realizar ensamblando bloques de construcción 'programables' que se pueden fabricar utilizando enfoques de nanotecnología de ADN, o». de novo diseño de proteínas”, dice Grason.
«Nuestro trabajo modela el proceso de montaje», afirma Hall. “Primero, se juntan algunos bloques de construcción para formar una pieza curvada negativamente, como una papa frita con bordes ásperos. A medida que la mancha crece, la superficie se cierra y forma canales que se extienden en las tres dimensiones. La disposición muy uniforme de los canales permite encontrar nuevos materiales potenciales con colores brillantes o la capacidad de atenuar el ruido”.
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