El cristal más complejo diseñado y construido a partir de nanopartículas ha sido reportado por investigadores de la Universidad Northwestern y la Universidad de Michigan. El trabajo demuestra que algunas de las estructuras más complicadas de la naturaleza pueden ensamblarse deliberadamente si los investigadores pueden controlar las formas de las partículas yforma en que se conectan usando ADN
"Esta es una demostración de tour de force de lo que es posible cuando uno aprovecha la química del ADN y lo combina con nanopartículas cuyas formas fomentan una estructura cristalina particular", dijo Chad A. Mirkin, profesor de química de George B. Rathmann enWeinberg College of Arts and Sciences en Northwestern.
La nanotecnología promete reunir materiales de nuevas formas, forjando nuevas capacidades por diseño. Una aplicación potencial para cristales construidos con nanopartículas, como estas recientemente reportadas, es el control de la luz: las nanopartículas interactúan bien con las ondas de luz porque sonde tamaño similar. Esto podría conducir a materiales que pueden cambiar los colores o patrones a pedido o bloquear ciertas longitudes de onda de la luz, mientras transmiten o amplifican otras. Son posibles nuevos tipos de lentes, láseres e incluso materiales de camuflaje similares a Star Trek.
"Este trabajo muestra que los cristales de nanopartículas de extraordinaria complejidad son posibles con la tecnología del ADN, una vez que uno comienza a explotar la forma de las partículas", dijo Sharon C. Glotzer, profesora de ingeniería de la Universidad John W. Cahn y el colegiado Stuart W. ChurchillProfesor de Ingeniería Química en la UM: "Y es un gran ejemplo de lo que pueden lograr los experimentadores y los simuladores en equipo".
El estudio, titulado "Cristales coloidales de clatrato", se publicará el 3 de marzo en la revista Science. Mirkin y Glotzer son co-corresponsales del artículo.
En química, los clatratos son conocidos por sus cámaras que pueden alojar moléculas pequeñas. Se han utilizado para capturar contaminantes del medio ambiente, por ejemplo. Los grupos de nanopartículas también dejan espacio para la carga, lo que, según los autores, podría ser útil para almacenar,entrega y detección de materiales para aplicaciones ambientales, médicas, diagnósticas y terapéuticas.
Si bien los materiales naturales exhiben una vertiginosa variedad de estructuras cristalinas, la mayoría de los laboratorios de nanotecnología luchan por superar diseños simples. Las estructuras producidas por Haixin Lin, ahora un becario postdoctoral en el laboratorio de Mirkin, son mucho más interesantes. Las nuevas estructuras están compuestas de grupos.de hasta 42 partículas, formando poliédricos más grandes, como el gran dodecaedro. Estos grupos se conectan en estructuras de cristal en forma de jaula llamadas clatratos.
Aún así, la historia no es el cristal en sí mismo: es cómo surgió el cristal. El grupo de Mirkin ha sido pionero en muchas estructuras mediante el uso de hebras de ADN como una especie de pegamento inteligente, que une nanopartículas de una manera particular.es a la vez un bloque de construcción y una plantilla que dirige las interacciones de unión. Mientras tanto, el grupo de Glotzer ha defendido el papel de la forma de nanopartículas para guiar el ensamblaje de estructuras de cristal a través de la simulación por computadora.
"El grupo de Chad tuvo la idea de explorar nuevas fases al observar las predicciones que habíamos hecho", dijo Glotzer. "Un día, recibí una llamada telefónica de él. '¡Acabamos de recibir estas estructuras increíbles!', Dijo. Y élme envió un mensaje de texto con micrografía tras micrografía: seguían apareciendo. Dijo que tenemos que encontrar una manera de asignar definitivamente sus estructuras ".
Las imágenes del microscopio electrónico, o micrografías, mostraron estructuras cristalinas complejas que se formaron en gran parte gracias a la forma de las nanopartículas de oro. La forma triangular bipiramidal, como dos tetraedros aplanados pegados en sus bases, era similar a la forma del grupo de Glotzerse predice que formaría un cuasicristal. Los cuasicristales son muy apreciados en el campo del nanoensamblaje porque son tan complejos como los cristales.
La forma de Lin tenía los ángulos correctos para hacer estructuras de clatrato, que a menudo aparecen en sistemas moleculares que forman cuasicristales. Pero para hacerlo, necesitaban cadenas de ADN unidas a sus lados a la longitud correcta.
Lin hizo sistemáticamente las bipirámides doradas de tamaño y forma consistentes, con longitudes de borde de 250 nanómetros, la mitad de la longitud de onda de la luz azul. Luego las modificó con secuencias de ADN de diferentes longitudes. Cuando las hebras de ADN eran demasiado cortas, las nanopartículasestructuras desordenadas y mal definidas.
Cuando las hebras más largas producían patrones exóticos en las imágenes del microscopio electrónico, Lin le trajo los resultados a Mirkin, que estaba emocionado e intrigado.
"Estos son impresionantes, nadie ha hecho tales estructuras antes", dijo Mirkin, director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern.
Estaba claro que habían hecho fases nunca antes observadas, pero era esencial identificar la estructura con precisión. Después de que Mirkin alertó a Glotzer en la UM, Sangmin Lee y Michael Engel imprimieron en 3D las bipirámides de Lin y las unieron para explorar cómo podrían hacerlas estructuras en las micrografías electrónicas. Lee es un estudiante de doctorado en ingeniería química, y Engel era entonces un científico asistente de investigación, ambos en el grupo de Glotzer.
Una vez que vieron cómo encajaban las formas, formularon la hipótesis de las estructuras del clatrato. Para confirmar sus sospechas, construyeron un modelo informático de los clatratos hipotéticos de las bipirámides y lo compararon con las micrografías del Noroeste. Fue una combinación perfecta.
Como prueba definitiva, Lee y Matthew Spellings, también estudiante de doctorado en ingeniería química en la UM, desarrollaron un modelo molecular de las nanopartículas ligadas al ADN. Lee realizó simulaciones para confirmar que las partículas formarían estructuras de clatrato.
"Para saber con certeza, tuvimos que ejecutar simulaciones que imitaban las condiciones que Haixin usó en el laboratorio para ver si un fluido desordenado de bipirámides ligadas al ADN se uniría en los cristales del Noroeste", dijo Glotzer. "Una vez que vimos elcristales de computadora, sabía que lo habíamos clavado ".
Mirkin es director del grupo de investigación que inventó la química para conjugar ADN y nanopartículas y es pionero del concepto de cristalización coloidal programable con ácidos nucleicos. En 1996, introdujo el concepto de usar nanopartículas como átomos y ADN sintético: elmodelo de vida: como un enlace químicamente programable para hacer materiales de diseño basados en la capacidad de las partículas para reconocerse entre sí a través de secuencias inmovilizadas en sus superficies. Mirkin ha estado estudiando experimentalmente el papel de la forma de las partículas en la formación de cristales coloidales durante los últimos dosdécadas. También es profesor de medicina, ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales.
Glotzer es reconocida a nivel nacional por sus innovadoras simulaciones por computadora que demuestran el importante papel de la forma en el autoensamblaje de nanopartículas. Dirige el grupo de investigación que descubrió la enorme diversidad y complejidad de los cristales coloidales posibles a partir de formas poliédricas simples. Glotzer también es profesora de materialciencia e ingeniería, ciencia e ingeniería macromolecular y física.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Megan Fellman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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