Los rayos X ayudan a los científicos a utilizar el ADN del diseñador para descubrir nuevas formas de materiales

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan ha desarrollado un nuevo método para ensamblar partículas en cristales coloidales, un tipo de material valioso que se utiliza para dispositivos de detección y detección de luz química y biológica. Usando este método, el equipo mostró por primera vez cómo se pueden diseñar estos cristales de formas que no se encuentran en la naturaleza.

El equipo utilizó la Fuente Avanzada de Fotones (APS), una Instalación para Usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, para confirmar su descubrimiento crucial.

«Un potente haz de rayos X permite las mediciones de alta resolución que necesita para estudiar este tipo de ensamblaje. APS es una instalación ideal para realizar esta investigación», comentó Byeongdu Lee del Laboratorio Nacional de Argonne.

«Descubrimos algo fundamental sobre el sistema de fabricación nuevos materiales«, dijo Chad A. Mirkin, profesor de Química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. «Esta estrategia para romper simetría reescribe las reglas del diseño y la síntesis de materiales».

La investigación fue dirigida por Mirkin y Sharon C. Glotzer, presidente del Departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke de la Universidad de Michigan, y se publicó en la revista Materiales naturales.

Los cristales coloidales son muy pequeñas partículas con otras partículas más pequeñas (llamadas nanopartículas) dispuestas en su interior de forma ordenada o simétrica. Pueden diseñarse para aplicaciones que van desde sensores de luz y láser hasta comunicaciones e informática. Para esta investigación, los científicos intentaron romper la simetría natural de la naturaleza, que tiende a ordenar partículas diminutas de la manera más simétrica.

“Imagínese apilar pelotas de baloncesto en una caja”, dijo Byeongdu Lee de Argonne, líder del grupo APS y autor del artículo. «Tendrías una forma específica de hacerlo que sacaría el máximo valor del espacio. Así es como lo hace la naturaleza».

Sin embargo, dice Lee, si las bolas están desinfladas hasta cierto punto, puedes apilarlas en un patrón diferente. El equipo de investigación, dijo, está tratando de hacer lo mismo con los nanomateriales, enseñándoles a autoensamblarse en nuevos patrones.

Para esta investigación, los científicos utilizaron ADN, la molécula dentro de las células que transporta la información genética. Los científicos han aprendido lo suficiente sobre el ADN como para poder programarlo para que siga instrucciones específicas. Este equipo de investigación usó ADN para enseñar a las nanopartículas metálicas a ensamblarse en nuevas configuraciones. Los investigadores adhirieron moléculas de ADN a la superficie de nanopartículas de diferentes tamaños y encontraron que la partículas más pequeñas se movió alrededor de los más grandes en los espacios entre ellos, mientras unía las partículas en nuevo material.

«El uso de nanopartículas grandes y pequeñas, donde las más pequeñas se mueven como electrones en un cristal de átomos de metal, es un enfoque completamente nuevo para construir estructuras de cristal coloidal complejas», dijo Glotzer.

Al ajustar este ADN, los científicos cambiaron los parámetros de las pequeñas partículas electrónicas equivalentes y, por lo tanto, cambiaron los cristales resultantes.

«Exploramos estructuras más complejas en las que controlar el número de vecinos alrededor de cada partícula producía una ruptura adicional de la simetría», dijo Glotzer. «Nuestras simulaciones por computadora ayudaron a descifrar los patrones complejos y revelar los mecanismos que permitieron que las nanopartículas los crearan».

Este enfoque allanó el camino para tres nuevas fases cristalinas nunca sintetizadas, una de las cuales no tiene un equivalente natural conocido.

“Los ensamblajes de partículas coloidales siempre tienen alguna analogía en el sistema atómico natural”, dijo Lee. «Esta vez, la estructura que encontramos es completamente nueva. Por la forma en que encaja, no hemos visto metales, aleaciones metálicas u otros materiales que encajen de forma natural».

«Aún no conocemos las propiedades físicas del material», dijo Lee. «Ahora dejamos que los científicos materiales creen este material y lo estudien».

El equipo utilizó haces de rayos X ultrabrillantes de APS para confirmar la nueva estructura de sus cristales. Utilizaron los instrumentos de dispersión de rayos X de ángulo pequeño de alta resolución en las líneas de luz 5-ID y 12-ID para crear imágenes precisas de la disposición de las partículas que habían creado.

«Un potente haz de rayos X permite las mediciones de alta resolución que necesita para estudiar este tipo de ensamblaje», dijo Lee. «APS es una instalación ideal para llevar a cabo esta investigación».

Actualmente, el APS está experimentando una actualización masiva que, según Lee, permitirá a los científicos determinar estructuras aún más complejas en el futuro. Los instrumentos del 12-ID también se están actualizando para aprovechar al máximo los haces de rayos X más brillantes que estarán disponibles.

Estos baja simetría cristales coloidales tienen propiedades ópticas que no se pueden lograr con otras estructuras cristalinas y se pueden usar en una amplia gama de tecnologías. Sus propiedades catalíticas también son diferentes. Pero las nuevas estructuras reveladas aquí son solo el comienzo de las posibilidades ahora que se comprenden las condiciones de ruptura de la simetría.

“Estamos en medio de una era sin precedentes de síntesis y descubrimiento de materiales”, dijo Mirkin. «Este es otro paso adelante para sacar materiales nuevos e inexplorados del cuaderno de bocetos y ponerlos en aplicaciones que puedan aprovechar sus propiedades raras e inusuales».