Uno de los métodos clave mediante los cuales los científicos desarrollan y mejoran nuevos materiales es obtener un mayor control sobre su estructura en las escalas más pequeñas, y las nanopartículas microscópicas pueden ser increíblemente útiles para este tipo de detalles.
Ahora, investigadores dirigidos por un equipo del MIT han revertido el pensamiento convencional de las últimas décadas en lo que respecta a cómo se conectan estas nanopartículas.
Hasta ahora, los conectores (o ligandos) entre las nanopartículas se diseñaban en su mayoría rígidos y fijos.
En un nuevo estudio publicado en Nature Materials, los investigadores optaron por el enfoque opuesto: construir moléculas conectoras que fueran flexibles en lugar de rígidas.
La naturaleza de los enlaces está determinada por las propias nanopartículas a medida que se unen.
Fundamentalmente, los investigadores descubrieron que esto les daba un mejor control sobre la cantidad de enlaces entre las nanopartículas y la dirección de esos enlaces. Y con un mejor control, surgen más posibilidades para nuevos materiales.
“La gente está interesada en las superredes de nanopartículas debido a la promesa de construir materiales de diseño en los que se tiene más voz sobre los tipos de estructuras en las que realmente se pueden construir”, dice el científico de materiales Rob Macfarlane, del MIT.
“Este es un nuevo enfoque en el ensamblaje de nanopartículas que no se ha investigado antes. Es emocionante tener una nueva herramienta que sea tan contraria a la intuición”.
Los materiales hechos de nanopartículas ya se utilizan ampliamente en una variedad de campos, pero su ampliación puede resultar difícil. De forma predeterminada, se empaquetan herméticamente y deben diseñarse cuidadosamente para cada propósito específico.
Aquí, los investigadores utilizaron nanopartículas de oro con ligandos hechos de un polímero flexible común llamado PEG, rematado con cargas positivas o negativas para ayudar a las conexiones. También se realizaron simulaciones por computadora para seguir lo que mostraba el experimento.
Sin ninguna rigidez, los ligandos terminaron agrupándose donde las partículas se tocaban, lo que a su vez limitó el número de conexiones que podían realizarse: solo había un número limitado de cadenas de partícula a partícula para todos.
“Es exactamente lo contrario de lo que ha sido el dogma durante 20 años: que es necesario hacer que los ligandos del conector sean rígidos, y cualquier desviación hace que el ensamblaje falle”, dice Macfarlane.
“Hemos demostrado que si lo pones hasta el extremo opuesto, funciona igual de bien”.
Las conexiones todavía se pueden controlar en gran medida cambiando los tamaños de las nanopartículas y las longitudes de las cadenas de ligandos. Por ejemplo, el equipo descubrió que las partículas más pequeñas conducían a menos enlaces.
En las pruebas, el equipo pudo crear estructuras cristalinas ordenadas que no se habían visto antes. Aún es necesario examinar y probar la funcionalidad de estos materiales, pero los resultados del experimento son prometedores.
“Sin tener que diseñar previamente dónde se conectan las partículas o cuáles son sus formas, podemos controlar la cantidad de enlaces que tiene cada partícula”, dice Macfarlane.
“La cantidad de flexibilidad del polímero dicta cuántos enlaces tiene. Nos permite reducir el número de enlaces que tiene cada partícula y crear redes que nunca antes habíamos visto”.
Los científicos de materiales han intentado previamente ajustar las conexiones de las nanopartículas alineándolas con precisión o cambiando la forma de las propias partículas. Resulta que renunciar a cierta rigidez en realidad genera más orden.
Según los investigadores, el nuevo enfoque podría conducir al desarrollo de materiales de alto rendimiento en campos como la fotónica (tecnologías que controlan la luz), la catálisis química, la medicina y la agricultura.
En última instancia, las nanopartículas que no están tan juntas significan un material que se puede personalizar a escala más fácilmente, y “ahí es donde están muchas de las aplicaciones interesantes”, dice Macfarlane.
Los próximos pasos serán experimentar con otros materiales de partículas y combinaciones de ligandos, y poner los materiales a prueba en escenarios reales.
“Si sabes cuáles son tus componentes básicos y cómo están dispuestos, puedes explicar qué propiedades tienen los materiales”, dice Macfarlane. “Controlando eso es como se fabrican materiales que tienen nuevas propiedades”.
La investigación ha sido publicada en Nature Materials.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.