Los nanoingenieros han utilizado el ADN, la molécula que codifica la vida, para crear un cuasicristal a partir de nanopartículas, una estructura material que es científicamente interesante y tecnológicamente prometedora. Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Northwestern, la Universidad de Michigan y el Centro de Investigación Colaborativa de Biomateriales en San Sebastián, España, informa los resultados en la revista Nature Materials. Este avance allana el camino para el diseño y construcción de estructuras más complejas.

A la izquierda se muestra una estructura cuasicristalina que simula el apilamiento de decaedros, y a la derecha hay un diagrama esquemático de la estructura. Fuente: Grupo Grotzer, Universidad de Michigan.

Las propiedades únicas de los cuasicristales.

A diferencia de los cristales ordinarios, que se definen por estructuras repetidas, los cuasicristales no repiten sus patrones. Los cuasicristales hechos de átomos pueden tener propiedades especiales; por ejemplo, absorben el calor y la luz de manera diferente, exhiben propiedades electrónicas inusuales, como conducir electricidad sin resistencia, o tienen superficies que son muy duras o muy lisas.

Los ingenieros que estudian el ensamblaje a nanoescala suelen ver las nanopartículas como una especie de "átomo de diseño" que proporciona un nuevo nivel de control sobre los materiales sintéticos. Uno de los desafíos fue cómo guiar las partículas para que se ensamblaran en las estructuras deseadas con cualidades prácticas, y al construir el primer cuasicristal ensamblado con ADN, el equipo entró en un nuevo ámbito del diseño de nanomateriales.

Ensamblaje pionero de ADN en nanomateriales

"La existencia de cuasicristales ha sido un misterio durante décadas, y su descubrimiento ganó un Premio Nobel", dijo el coautor del estudio Chad Mirkin, profesor de química George B. Rutman en la Universidad Northwestern. "Nuestro estudio desentraña el misterio de su formación y, lo que es más importante, muestra cómo podemos explotar las propiedades programables del ADN para diseñar y ensamblar cuasicristales intencionalmente".

Un diagrama de la estructura dibujado por una herramienta matemática llamada Transformada Rápida de Fourier reveló la simetría de 12 veces del cuasicristal. A la izquierda se muestra la transformada rápida de Fourier de una imagen de microscopio electrónico de un cuasicristal, y a la derecha se muestra la transformada de un cristal simulado. Fuente: grupo de Mirkin en la Universidad Northwestern y grupo de Groetzer en la Universidad de Michigan

ADN: una herramienta de diseño para nanopartículas

El grupo de investigación de Mirkin es conocido por utilizar ADN como pegamento de diseño para diseñar la formación de cristales coloidales de nanopartículas, mientras que el grupo de investigación de Luis Liz-Marzán, profesor de Icobasco en el Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales de España, también ha podido crear nanopartículas que pueden formar cristales similares a cristales en las condiciones adecuadas.

El equipo se centró en la forma bipiramidal, básicamente como las bases de dos pirámides pegadas entre sí. El equipo de Liz-Marzán experimentó con distintos números de lados y formas aplastadas y estiradas. Durante su trabajo, Zhou Wenjie y Lin Haixin, estudiantes de doctorado en el Departamento de Química de la Universidad Northwest, utilizaron cadenas de ADN codificadas para el reconocimiento mutuo para programar partículas para que se ensamblaran en cuasicristales.

Además, el grupo de Sharon Glotzer de Anthony C. Lembke, presidente del Departamento de Ingeniería Química del MIT, ha estado simulando bipirámides con diferente número de lados. Yein Lim y Sangmin Lee, estudiantes de doctorado en ingeniería química en el MIT, descubrieron que los decaedros, bipirámides pentagonales de 10 lados, forman cuasicristales bajo ciertas condiciones y tienen los tamaños relativos correctos.

En 2009, el equipo de Groetzer predijo que el primer cuasicristal de nanopartículas en capas no se formaría a partir de bipirámides sino de tetraedros: pirámides individuales con cuatro lados triangulares como un dado D4. Dado que cinco tetraedros forman casi una especie de decaedro, esta forma es una elección inteligente para formar cuasicristales.

"En nuestras simulaciones originales de cuasicristales, los tetraedros estaban dispuestos en decaedros y los espacios entre los tetraedros eran muy pequeños", dijo Glozer, coautor correspondiente del estudio. "Aquí estos huecos serán llenados por el ADN, por lo que es posible que los decaedros también formen cuasicristales".

Sinergia entre teoría y experimento.

Mediante una combinación de teoría y experimento, tres equipos de investigación convirtieron las partículas decaédricas en cuasicristales, lo que fue confirmado mediante imágenes de microscopía electrónica en la Universidad Northwestern y dispersión de rayos X en el Laboratorio Nacional Argonne.

Liz-Marzán, coautora correspondiente del estudio, afirma: "Con la ingeniería exitosa de cuasicristales coloidales, hemos logrado un hito importante en el campo de la nanociencia. Nuestro trabajo no sólo arroja luz sobre el diseño y la creación de estructuras complejas a nanoescala, sino que también abre un mundo de posibilidades para materiales avanzados y aplicaciones innovadoras de nanotecnología".

La estructura se asemeja a un conjunto de rosetas en círculos concéntricos, con las formas de 10 lados creando una simetría de 12 veces en capas bidimensionales apiladas periódicamente. Esta estructura apilada también se ve en cuasicristales hechos de tetraedros, conocidos como cuasicristales axiales. Pero a diferencia de la mayoría de los cristaloides axiales, el patrón de mosaico de cada capa del nuevo cristaloide no se repite exactamente igual de una capa a la siguiente. En cambio, una proporción significativa de los fragmentos son aleatoriamente diferentes: esta pequeña cantidad de desorden aumenta la estabilidad.

Compilado de /ScitechDaily