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(noticias nanowerk) Por primera vez, los investigadores han creado sintéticamente hélices a nanoescala que se pueden torcer, desenroscar y retorcer repetidamente entre dos formas estables. Este avance, publicado en comunicación de la naturaleza (“Twisting, unwising, and retwisting of elastic Co-based nanohelices”) demuestra una transformación reversible y sin precedentes de materiales cristalinos a nanoescala.
El logro podría tener implicaciones de gran alcance para la ciencia de los materiales y la cristalografía. Introduce el concepto de cristales “elásticos”, cuyas estructuras pueden cambiar hacia adelante y hacia atrás, así como la posibilidad de diseñar diversas transformaciones reversibles. La investigación ofrece una nueva perspectiva sobre los procesos de cristalización y las interacciones intermoleculares.
«Informamos la primera síntesis de nanohélices intercambiables a base de cobalto a través de un mecanismo de autotorsión sin necesidad de aditivos, plantillas, sustratos o procesos de alta temperatura», dijo el Dr. Qingyi Lu, líder del equipo de investigación de la Universidad de Nanjing. «Las nanohélices así sintetizadas presentan una ‘elasticidad’ inusual, que se refleja en los cambios reversibles en los parámetros de la red y en la transformación mutua entre los nanocables y las nanohélices».
![Nanocables y nanohélices](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63623_1.jpg)
En los sistemas naturales, la torsión y la desconexión a menudo ocurren simultáneamente, por ejemplo al enrollar y desenrollar las hebras de ADN. Sin embargo, torcer materiales sintéticos a nanoescala ha sido extremadamente difícil. El proceso inverso de desenroscar es aún más raro y más difícil de controlar.
Los investigadores lograron esta hazaña equilibrando cuidadosamente las energías en la estructura cristalina de su nanomaterial a base de cobalto. Este equilibrio permitió que los nanocables sintetizados en diferentes condiciones hicieran una transición repetible entre recto y trenzado.
Se descubrió que la fuerza de torsión se debía a una competencia entre las reacciones de condensación química y las interacciones de apilamiento en la formación de cristales. Este mecanismo difiere de explicaciones anteriores de por qué algunos materiales a nanoescala se retuercen espontáneamente.
Utilizando este conocimiento, el equipo primero fabricó nanocables de salicilato de cobalto rectos y luego los convirtió en nanohélices retorcidas ajustando la temperatura y el tiempo de reacción. Sorprendentemente, pudieron desenroscar estas hélices para convertirlas en cables rectos cambiando aún más las condiciones.
Después de desenredarlos, los alambres rectos podrían retorcerse nuevamente formando hélices extendiendo el proceso de crecimiento a baja temperatura. Así, por primera vez se logró la torsión reversible mediante el control sintético de la cristalización.
En comparación con sus homólogos rectos, las nanoestructuras helicoidales mostraron ventajas como material magnético y catalizador para reacciones de oxígeno. Pero la capacidad de intercambiar formas rectas y retorcidas también tiene un valor intrínseco para crear dispositivos transformables a nanoescala.
«La realización del ciclo de torsión, destorsión y retorsión enriquece el concepto de transformación cristalina y proporciona una nueva idea para el diseño de procesos reversibles basados en efectos mutuos especiales entre la interacción molecular y la configuración cristalina», dijo el Dr. Lu.
El equipo también confirmó que el proceso de torsión se puede generalizar a la formación de otras nanohélices metálicas reemplazando el cobalto con níquel y cobalto-níquel en la síntesis. Además, convirtieron las hélices precursoras retorcidas en hélices inorgánicas de cobalto y óxido de níquel que conservan la forma helicoidal.
Esto sugiere una estrategia para integrar capacidades de torsión en una amplia gama de nanomateriales funcionales para áreas como el almacenamiento de energía, la catálisis y la electrónica flexible.
El logro se basa en décadas de investigación sobre la inducción y el control de la quiralidad en cristales sintéticos. Si bien en estudios anteriores se lograron torsiones parciales o formas de espiral estables, ninguno de ellos produjo cristales con capacidad de torsión bidireccional.
«Todo el proceso de transformación con la capacidad de girar reversiblemente es importante, ya que proporciona una plataforma para estudiar el comportamiento novedoso de sistemas sutilmente equilibrados», escriben los investigadores.
Además de las implicaciones para la nanotecnología y la cristalografía, los resultados plantean preguntas sobre cómo se pueden manipular las interacciones finamente competitivas en un sistema químico para cambiar reversiblemente las formas físicas. Este fenómeno es similar a los cambios bidireccionales observados en algunos sistemas naturales, como el enrollamiento hacia arriba y hacia abajo de los zarcillos de las plantas durante los ciclos diurnos y nocturnos.
La torsión de los nanomateriales demostrada aquí requirió una síntesis y un procesamiento cuidadosos. Pero el estudio proporciona evidencia de que las transiciones reversibles entre estados cristalinos se pueden lograr sintéticamente en condiciones definidas con precisión. Esta posibilidad de un cambio de paradigma requiere más investigación para comprender completamente la energía detallada y explotar efectos similares en otros nanomateriales.
Con más investigación, estos cristales «elásticos» únicos podrían encontrar aplicaciones que van desde el cifrado hasta sensores y actuadores a nanoescala. Pero independientemente del uso posterior, el avance fundamental de la torsión y destorsión repetible y controlable de redes a nanoescala promete marcar el comienzo de una nueva era de nanomateriales transformables.
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