Los científicos de la Universidad de Nueva York han desarrollado una forma de utilizar la luz para indicar cómo las partículas microscópicas se organizan formando cristales. El trabajo, publicado en la revista Cell Press químicadescribe una técnica sencilla y reversible para construir cristales que podría ayudar a crear una nueva clase de materiales receptivos y adaptables.
Los cristales aparecen en todas partes de la naturaleza y la tecnología, desde los copos de nieve y los diamantes hasta el silicio del interior de los dispositivos electrónicos. En esencia, los cristales consisten en partículas organizadas en patrones precisos y repetitivos. Para comprender mejor cómo surgen estas estructuras, los investigadores suelen estudiar partículas coloidales, que son pequeñas esferas suspendidas en líquidos que se ensamblan naturalmente en estructuras ordenadas conocidas como cristales coloidales. Estas partículas también sirven como componentes clave de materiales avanzados utilizados en aplicaciones ópticas y fotónicas, como sensores y láseres.
Aunque los cristales son comunes y extremadamente útiles, controlar exactamente cómo y cuándo se forman sigue siendo un obstáculo importante.
“El desafío en este campo es el control: los cristales generalmente se forman donde y cuando quieren, y una vez que se establecen las condiciones, la capacidad de ajustar el proceso en tiempo real es limitada”, dijo el autor del estudio Stefano Sacana, profesor de química en la Universidad de Nueva York.
Los fotoácidos se utilizan para controlar las interacciones de partículas.
En su estudio de química, el equipo identificó un método sorprendentemente simple para dirigir la formación de cristales: iluminar el sistema.
Los investigadores introdujeron moléculas fotosensibles que contenían partículas coloidales en un líquido llamado fotoácido. Cuando se exponen a la luz, estos fotoácidos se vuelven brevemente más ácidos. Este cambio afecta la forma en que interactúan con la superficie de la partícula, cambiando la carga eléctrica de la partícula. Al cambiar la carga, los científicos pueden controlar si las partículas se juntarán y pegarán o se empujarán y separarán.
“Básicamente, utilizamos la luz como control remoto para programar cómo se organiza la materia a microescala”, dijo Sakana.
Crecimiento y fusión de cristales en tiempo real.
Mediante una combinación de experimentos y simulaciones por computadora, los investigadores demostraron que ajustar el brillo, la duración y el patrón de luz les permitía dictar el comportamiento del cristal con notable precisión. Pueden iniciar el crecimiento de cristales o disolverlos cuando lo deseen. Pueden determinar dónde se produce la cristalización, remodelar y “esculpir” las estructuras y aumentar su uniformidad y tamaño para crear conjuntos coloidales más grandes y complejos.
“El uso de nuestro fotoácido nos dio un nivel sorprendente de control sobre la atracción entre las partículas. Subir o bajar un poco la luz marcó la diferencia entre que la partícula quedara completamente atrapada o completamente libre”, dijo el autor del estudio Steven van Kesteren de ETH Zurich, quien realizó el trabajo en la Universidad de Nueva York como investigador postdoctoral en el laboratorio de Sakanna.
“Debido a que la luz es tan fácil de controlar, podemos hacer que nuestro sistema haga cosas bastante complicadas. Podemos iluminar manchas de partículas y observarlas derretirse bajo un microscopio, o iluminar una luz para que gotas aleatorias de partículas cristalicen. Podemos eliminar fácilmente cristales específicos simplemente inmovilizando las partículas en ese lugar”, añadió van Kester.
Configuración de una olla con ensamblaje inverso
Una ventaja significativa de este método es que actúa como una prueba de “un solo recipiente”. El equipo no necesitó rediseñar las partículas en ensayos separados ni ajustar la concentración de sal repetidamente. Simplemente cambiando el nivel de iluminación, pueden hacer que las partículas se unan en cristales o se rompan nuevamente.
Hacia materiales ligeros programables
Este avance apunta a materiales cuya estructura interna, y por tanto sus propiedades, se pueden sintonizar mediante la luz. Por ejemplo, en los materiales fotónicos se puede escribir, borrar y reescribir su color o respuesta óptica según sea necesario. Los cristales coloidales programables con luz pueden, en última instancia, permitir recubrimientos ópticos reconfigurables, sensores adaptativos y tecnologías de visualización y almacenamiento de datos de próxima generación, donde los patrones y funciones se definen dinámicamente mediante la iluminación en lugar de fijarse durante la fabricación.
“Nuestro enfoque nos acerca a materiales coloidales dinámicos y programables que pueden reconfigurarse según demanda”, dijo el autor del estudio Glenn Hockey, profesor asociado de química y miembro de la facultad del Centro Simmons de Química Física Computacional de la Universidad de Nueva York. “Este sistema nos permite probar varias predicciones sobre cómo debería comportarse el autoensamblaje si las interacciones entre partículas o moléculas cambian en el espacio o el tiempo”.
Otros autores del estudio incluyen a Nicole Smina, Shihao Zhang y Cheuk Wai Leung de la Universidad de Nueva York. La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (Premio W911NF-21-1-0011), la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (Subvención 217966) y el Centro Simmons de Química Física Computacional de la Universidad de Nueva York (Subvención 839534).
