02 de noviembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) Los nanoingenieros han creado un cuasicristal (una estructura material científicamente intrigante y tecnológicamente prometedora) a partir de nanopartículas utilizando ADN, la molécula que codifica la vida.
Los cuasicristales, a diferencia de los cristales ordinarios, poseen propiedades únicas como absorción alterada de calor y luz y comportamientos electrónicos especiales.
El equipo empleó hebras de ADN para unir partículas de manera instructiva, creando esta intrincada estructura cuasicristalina.
Los investigadores colaboraron para predecir y validar la formación de estos cuasicristales, combinando simulación, teoría y técnicas experimentales.
El cuasicristal recientemente diseñado muestra un patrón estructural único, que ofrece avances potenciales en aplicaciones de nanotecnología.
Una herramienta matemática llamada transformada rápida de Fourier mapea la estructura de una manera que revela la simetría de 12 veces del cuasicristal. La transformada rápida de Fourier de la imagen del microscopio electrónico del cuasicristal se muestra a la izquierda, mientras que la transformada del cristal simulado se muestra a la derecha. (Imagen: Grupo de Investigación Mirkin, Universidad Northwestern y Grupo Glotzer, Universidad de Michigan)
La simulación muestra los decaedros empaquetados en una estructura cuasicristalina a la izquierda, con un diagrama de la estructura a la derecha. (Imagen: Grupo Glotzer, Universidad de Michigan) El grupo de Mirkin es conocido por utilizar el ADN como pegamento de diseño para diseñar la formación de cristales coloidales hechos de nanopartículas, y el grupo de Luis Liz-Marzán, profesor Ikerbasque del Centro Español de Cooperativas La investigación en biomateriales podría producir nanopartículas que podrían formar cuasicristales en las condiciones adecuadas. El equipo se centró en formas bipiramidales: básicamente dos pirámides unidas por sus bases. El grupo de Liz-Marzán probó diferentes números de lados, además de aplastar y estirar las formas. Luego, Wenjie Zhou y Haixin Lin, estudiantes de doctorado en química en Northwestern en el momento del trabajo, utilizaron hebras de ADN codificadas para reconocerse entre sí para programar las partículas y ensamblarlas en un cuasicristal.
De forma independiente, el grupo de Sharon Glotzer, el Anthony C. Lembke, catedrático de Ingeniería Química de la UM, había estado simulando bipirámides con diferente número de lados. Yein Lim y Sangmin Lee, estudiantes de doctorado en ingeniería química en la UM, descubrieron que los decaedros (bipirámides pentagonales de 10 lados) formarían un cuasicristal bajo ciertas condiciones y con las dimensiones relativas correctas.
En 2009, el equipo de Glotzer había predicho la primera nanopartícula cuasicristal en capas, no a partir de bipirámides sino de tetraedros: pirámides individuales con cuatro lados triangulares como un dado D4. Debido a que cinco tetraedros casi pueden formar un tipo de decaedro, ella dice que el decaedro fue una elección inteligente para hacer un cuasicristal.
“En nuestra simulación de cuasicristal original, los tetraedros se disponían en decaedros con espacios muy pequeños entre los tetraedros. Aquí, esos vacíos serían llenados por el ADN, por lo que tenía sentido que los decaedros también pudieran producir cuasicristales”, dijo Glotzer, coautor correspondiente del estudio.
A través de una combinación de teoría y experimento, los tres grupos de investigación convirtieron las partículas de decaedro en un cuasicristal, lo que fue confirmado por imágenes de microscopio electrónico en Northwestern y dispersión de rayos X realizada en el Laboratorio Nacional Argonne.
"A través de la ingeniería exitosa de cuasicristales coloidales, hemos logrado un hito importante en el ámbito de la nanociencia", dijo Liz-Marzán, coautora correspondiente del estudio. "Nuestro trabajo no sólo arroja luz sobre el diseño y la creación de intrincadas estructuras a nanoescala, sino que también abre un mundo de posibilidades para materiales avanzados y aplicaciones innovadoras de nanotecnología". La estructura se asemeja a una serie de rosetas en círculos concéntricos, las formas de 10 lados crean una simetría de 12 veces en capas 2D que se apilan periódicamente. Esta estructura apilada, también vista con cuasicristales hechos de tetraedros, se llama cuasicristal axial. Pero a diferencia de la mayoría de los cuasicristales axiales, el patrón de mosaico de las capas del nuevo cuasicristal no se repite idénticamente de una capa a la siguiente.
Puntos clave
Una herramienta matemática llamada transformada rápida de Fourier mapea la estructura de una manera que revela la simetría de 12 veces del cuasicristal. La transformada rápida de Fourier de la imagen del microscopio electrónico del cuasicristal se muestra a la izquierda, mientras que la transformada del cristal simulado se muestra a la derecha. (Imagen: Grupo de Investigación Mirkin, Universidad Northwestern y Grupo Glotzer, Universidad de Michigan)
La investigación
El equipo, dirigido por investigadores de la Universidad Northwestern, la Universidad de Michigan y el Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales de San Sebastián, España, informa los resultados en Nature Materials (“Cuasicristales coloidales diseñados con ADN”). A diferencia de los cristales ordinarios, que se definen por una estructura repetitiva, los patrones de los cuasicristales no se repiten. Los cuasicristales construidos a partir de átomos pueden tener propiedades excepcionales; por ejemplo, absorber calor y luz de manera diferente, exhibir propiedades electrónicas inusuales, como conducir electricidad sin resistencia, o sus superficies son muy duras o muy resbaladizas. 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 es dirigir las partículas para que se unan en estructuras deseadas con cualidades útiles, y al construir este primer cuasicristal ensamblado con ADN, el equipo entró en una nueva frontera en el diseño de nanomateriales. "La existencia de cuasicristales ha sido un enigma durante décadas, y su descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel", dijo Chad Mirkin, profesor de química George B. Rathmann en la Universidad Northwestern y coautor correspondiente del estudio. "Aunque ahora hay varios ejemplos conocidos, descubiertos en la naturaleza o a través de rutas fortuitas, nuestra investigación desmitifica su formación y, lo que es más importante, muestra cómo podemos aprovechar la naturaleza programable del ADN para diseñar y ensamblar cuasicristales deliberadamente".
La simulación muestra los decaedros empaquetados en una estructura cuasicristalina a la izquierda, con un diagrama de la estructura a la derecha. (Imagen: Grupo Glotzer, Universidad de Michigan) El grupo de Mirkin es conocido por utilizar el ADN como pegamento de diseño para diseñar la formación de cristales coloidales hechos de nanopartículas, y el grupo de Luis Liz-Marzán, profesor Ikerbasque del Centro Español de Cooperativas La investigación en biomateriales podría producir nanopartículas que podrían formar cuasicristales en las condiciones adecuadas. El equipo se centró en formas bipiramidales: básicamente dos pirámides unidas por sus bases. El grupo de Liz-Marzán probó diferentes números de lados, además de aplastar y estirar las formas. Luego, Wenjie Zhou y Haixin Lin, estudiantes de doctorado en química en Northwestern en el momento del trabajo, utilizaron hebras de ADN codificadas para reconocerse entre sí para programar las partículas y ensamblarlas en un cuasicristal.
De forma independiente, el grupo de Sharon Glotzer, el Anthony C. Lembke, catedrático de Ingeniería Química de la UM, había estado simulando bipirámides con diferente número de lados. Yein Lim y Sangmin Lee, estudiantes de doctorado en ingeniería química en la UM, descubrieron que los decaedros (bipirámides pentagonales de 10 lados) formarían un cuasicristal bajo ciertas condiciones y con las dimensiones relativas correctas.
En 2009, el equipo de Glotzer había predicho la primera nanopartícula cuasicristal en capas, no a partir de bipirámides sino de tetraedros: pirámides individuales con cuatro lados triangulares como un dado D4. Debido a que cinco tetraedros casi pueden formar un tipo de decaedro, ella dice que el decaedro fue una elección inteligente para hacer un cuasicristal.
“En nuestra simulación de cuasicristal original, los tetraedros se disponían en decaedros con espacios muy pequeños entre los tetraedros. Aquí, esos vacíos serían llenados por el ADN, por lo que tenía sentido que los decaedros también pudieran producir cuasicristales”, dijo Glotzer, coautor correspondiente del estudio.
A través de una combinación de teoría y experimento, los tres grupos de investigación convirtieron las partículas de decaedro en un cuasicristal, lo que fue confirmado por imágenes de microscopio electrónico en Northwestern y dispersión de rayos X realizada en el Laboratorio Nacional Argonne.
"A través de la ingeniería exitosa de cuasicristales coloidales, hemos logrado un hito importante en el ámbito de la nanociencia", dijo Liz-Marzán, coautora correspondiente del estudio. "Nuestro trabajo no sólo arroja luz sobre el diseño y la creación de intrincadas estructuras a nanoescala, sino que también abre un mundo de posibilidades para materiales avanzados y aplicaciones innovadoras de nanotecnología". La estructura se asemeja a una serie de rosetas en círculos concéntricos, las formas de 10 lados crean una simetría de 12 veces en capas 2D que se apilan periódicamente. Esta estructura apilada, también vista con cuasicristales hechos de tetraedros, se llama cuasicristal axial. Pero a diferencia de la mayoría de los cuasicristales axiales, el patrón de mosaico de las capas del nuevo cuasicristal no se repite idénticamente de una capa a la siguiente.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63987.php
