Los investigadores han diseñado cubos de tamaño nanométrico que forman espontáneamente un patrón de tablero de ajedrez bidimensional cuando se dejan caer sobre la superficie del agua. Trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturalezapresenta un método simple para crear nanoestructuras complejas mediante una técnica llamada autoensamblaje.
“Es una buena manera de conseguir materiales para fabricar los suyos propios”, dijo la coautora principal del estudio, Andrea Tao, profesora del Departamento de Química y Nanoingeniería de la Familia Iso Yufeng Li de la Universidad de California en San Diego. “No es necesario ir a un laboratorio de nanofabricación y realizar todas estas manipulaciones complejas y precisas”.
Cada nanocubo consta de cristales de plata con moléculas hidrófobas (aceite) e hidrófilas (amantes del agua) adheridas a la superficie. Cuando se introduce una suspensión de estos nanocubos en la superficie del agua, se disponen de manera que los bordes de sus esquinas se toquen. Esta disposición crea un patrón alterno de cubos y espacios sólidos, lo que da como resultado un patrón de tablero de ajedrez.
El proceso de autoensamblaje está impulsado por la química de la superficie de los nanocubos. Una alta densidad de moléculas hidrofóbicas en la superficie une los cubos para minimizar su interacción con el agua. Mientras tanto, largas cadenas de moléculas hidrófilas provocan suficiente repulsión como para crear espacios entre los cubos, creando un patrón de tablero de ajedrez.
Para fabricar la estructura, los investigadores colocaron gotas de la suspensión del nanocubo en una placa de Petri que contenía agua. El tablero de ajedrez resultante se puede transferir fácilmente al sustrato sumergiendo el sustrato en agua y retirándolo lentamente, lo que permite recubrir la nanoestructura.
El estudio surge de una colaboración entre varios grupos de investigación que forman parte del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) de UC San Diego. Este trabajo implicó una combinación sinérgica de técnicas computacionales y experimentales. “Creamos un circuito de retroalimentación continua entre nuestros cálculos y experimentos”, dijo Tao. “Utilizamos simulaciones por computadora para ayudar a diseñar materiales a nanoescala y predecir cómo se comportarían”. También utilizamos nuestros resultados experimentales en el laboratorio para validar las simulaciones, refinarlas y construir un modelo mejor”.
Al diseñar el material, los investigadores eligieron nanocubos de plata cristalina debido a la experiencia del laboratorio Tau en sintetizarlos. Determinar la química óptima de la superficie requirió extensos experimentos computacionales, dirigidos por Gaurav Arya, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Universidad de Duke y coautor principal del estudio. Las simulaciones identificaron las mejores moléculas para unirse a los nanocubos y predijeron cómo los cubos interactuarían y se agregarían en la superficie del agua. Estas simulaciones se refinaron iterativamente utilizando datos experimentales obtenidos por el laboratorio de Tao. La microscopía electrónica realizada por el laboratorio del coautor del estudio Alex Frañó, profesor del Departamento de Física de UC San Diego, confirmó la formación de la estructura de tablero de ajedrez deseada.
Tau prevé aplicaciones para el tablero de ajedrez de nanocubos en detección óptica. “Este tipo de nanoestructura puede manipular la luz de formas interesantes”, explicó. “Los espacios entre los cubos, especialmente cerca de los bordes de las esquinas donde se conectan los cubos, pueden actuar como pequeños puntos de acceso que enfocan o atrapan la luz. Estos nuevos tipos de elementos ópticos, como los de nanoescala, pueden ser útiles para crear filtros o guías de ondas”.
Los investigadores planean explorar las propiedades ópticas del tablero de ajedrez en estudios futuros.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de UC San Diego (DMR-2011924). Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) en UC San Diego, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (subvención ECCS-2025752).
