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(noticias nanowerk) En un artículo publicado en Ciencia (“Cristales coloidales en mosaico espacial a partir de emparejamiento poliédrico complementario de forma impuesta por el ADN”), los científicos Chad Mirkin y Sharon Glotzer y sus equipos de la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan, respectivamente, presentan conocimientos de la nanotecnología que podrían afectar la forma en que se utilizan los materiales avanzados. son hechos.
El artículo describe un avance significativo en la construcción de nanopartículas poliédricas. Los investigadores presentan y demuestran el poder de una nueva estrategia sintética que amplía las posibilidades del diseño de metamateriales. Estos son los materiales inusuales que forman la base de las “capas de invisibilidad” y los sistemas informáticos ópticos de ultra alta velocidad.
«Manipulamos materiales a macroescala con nuestras manos en la vida cotidiana», dijo 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 y encajarlos maravillosamente para llenarlos». En la nanoescala, no podemos manipular bloques de construcción de nanopartículas con nuestras manos porque hay una 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, convirtiendo efectivamente el ADN en nuestras manos».
Estas «manos» están destinadas a reconocer partículas con formas complementarias y organizarlas en estructuras que llenen el espacio.
Un nuevo método para producir cristales de nanopartículas útiles
Los enfoques convencionales para construir cristales de nanopartículas utilizando ADN como elemento de unión aún no han dado como resultado matrices de mosaicos tridimensionales (3D) llenos de espacio. Para obtener estos útiles cristales llenos de espacio, los investigadores de Northwestern utilizaron ligandos moleculares más cortos y flexibles que los utilizados habitualmente. Específicamente, utilizaron ADN modificado con oligoetilenglicol. Las unidades de oligoetilenglicol actúan como una especie de amortiguador, ajustándose a la longitud adecuada para garantizar que las formas encajen casi a la perfección. Hasta la fecha, este nuevo material de construcción ha permitido la síntesis de 10 nuevos cristales coloidales que de otro modo no podrían producirse y que tienen potencial para usarse en el diseño y construcción de metamateriales con propiedades sin precedentes.
Deja que los colores reales brillen
Las nanopartículas son inherentemente imperfectas (incluso las individuales fabricadas en el mismo lote sintético tienen tamaños y formas ligeramente diferentes) y esta propiedad 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 oscurecido algunas contribuciones cruciales de la geometría de las partículas a la unión. El resultado: se descubrió que las partículas con facetas bien definidas se comportan como aquellas que son geométricamente menos complejas.
El equipo superó estos dos obstáculos al desacoplar las contribuciones de la capa del ligando del ADN y la forma de las nanopartículas. De hecho, las hebras de ADN son cruciales 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 formas de las nanopartículas y luego reflejarlas en el producto ensamblado. El ADN flexible proporciona la flexibilidad necesaria para compensar ligeras imperfecciones en el tamaño y la forma de las nanopartículas poliédricas. Esta latitud permite que las nanopartículas con formas imperfectas creen mosaicos similares a aquellos con formas perfectas. De esta manera, se formaron ensamblajes altamente ordenados mediante la alineación de faceta con superficie.
Dos por el precio de uno
“Al desacoplar las contribuciones de la forma de la capa y el núcleo del ligando de ADN, hemos abierto nuevas fronteras en la nanotecnología y hemos permitido la producción de cristales coloidales altamente ordenados con formas y tamaños que antes se consideraban imposibles. «Este avance no sólo amplía el alcance de los cristales coloidales, sino que también proporciona un conjunto de herramientas versátil para diseñar metamateriales», dijo el ex estudiante graduado del Grupo Mirkin, Wenjie Zhou, uno de los autores principales del estudio.
En particular, 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 la disposición de nanopartículas poliédricas que no llenan el espacio, lo que lleva a la formación de cristales complejos con simetrías que antes no se podían lograr utilizando la tecnología de cristales coloidales de ADN.
Ampliando el alcance del diseño
La investigación demuestra la capacidad de construir cristales coloidales grandes que llenen el espacio utilizando consideraciones geométricas simples. Los ensamblajes presentados representan sólo una fracción del enorme espacio de diseño de esta estrategia revolucionaria, por lo que 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 proporcionó nuevos conocimientos sobre lo que sucedió ex silico», dijo Glotzer, presidente de ingeniería química en el Departamento Anthony C. Lembke. “Al combinar ambos modos de investigación y trabajar juntos, nuestros grupos han aprendido mucho más sobre el sistema de lo que podríamos haber hecho solos. Por eso el trabajo interdisciplinario representa lo mejor de la ciencia y la tecnología”.
En muchos sentidos, estos resultados fueron inesperados. Mirkin dice: «Está lejos de ser obvio que se puedan tomar dos sistemas extremadamente imperfectos y diseñar elementos de unión al ADN que produzcan cristales llenos de espacio casi perfectos». Es una demostración impresionante de la utilidad del modelo de la naturaleza para codificar un resultado material. »
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