Ahora es posible ver cómo los bloques de construcción a nanoescala se pueden reorganizar en diferentes estructuras organizadas según una orden con un enfoque que utiliza un microscopio electrónico, canales microscópicos, según un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Un pequeño portamuestras y simulaciones por computadora. combinarse. Universidad de Michigan e Indiana.
Este enfoque podría eventualmente permitir materiales y recubrimientos inteligentes que puedan cambiar entre diferentes propiedades ópticas, mecánicas y electrónicas.
“Uno de mis ejemplos favoritos de este fenómeno en la naturaleza es el camaleón”, dijo Tobias Dwyer, estudiante de doctorado en ingeniería química de la UM y coprimer autor del estudio. Ingeniería Química de la Naturaleza. “Los camaleones cambian de color cambiando el espacio entre los nanocristales de su piel. El sueño es diseñar un sistema dinámico y multifuncional que pueda ser tan bueno como algunos de los ejemplos que vemos en biología”.
Las técnicas de imágenes permiten a los investigadores ver cómo reaccionan las nanopartículas en tiempo real a los cambios en su entorno, ofreciendo una ventana sin precedentes a su comportamiento de ensamblaje.
En el estudio, el equipo de Indiana primero suspendió nanopartículas, una clase de material más pequeño que una célula bacteriana promedio, en pequeños canales de líquido en una celda de flujo de microfluidos. Este tipo de dispositivo permitió a los investigadores inyectar diferentes tipos de líquido en la célula sobre la marcha mientras observaban la mezcla bajo su microscopio electrónico. Los investigadores descubrieron que el dispositivo proporcionaba a las nanopartículas, que normalmente se atraen entre sí, suficiente repulsión electrostática para separarlas y permitirles ensamblarse en disposiciones ordenadas.
Las nanopartículas, que son cubos hechos de oro, alinean sus caras en grupos ordenados o forman una disposición más desordenada. La configuración final del material dependía de las propiedades del líquido en el que estaban suspendidos los bloques, y el lavado de nuevos líquidos en la celda de flujo cambiaba los nanobloques entre las dos disposiciones.
El experimento fue una prueba de concepto sobre cómo manipular nanopartículas para obtener las estructuras deseadas. Las nanopartículas son demasiado pequeñas para manipularlas manualmente, pero este enfoque podría ayudar a los ingenieros a reorganizar otras nanopartículas cambiando su entorno.
“Has podido mover partículas a nuevos líquidos antes, pero no podías ver cómo reaccionaban con su nuevo entorno en tiempo real”, dijo Xingchen Ye, profesor asociado de química en IU, el profesor que lo desarrolló. es la técnica experimental y el autor principal correspondiente del estudio.
“Podemos utilizar esta herramienta para obtener imágenes de muchos tipos de objetos a nanoescala, como moléculas, virus, lípidos y cadenas de partículas compuestas. Las empresas farmacéuticas pueden utilizar esta técnica para aprender cómo se comportan los virus en diferentes condiciones, cómo interactúan con las células, que pueden afectar el desarrollo de fármacos”.
Los investigadores dijeron que la microscopía electrónica no es necesaria para activar partículas en materiales funcionalizados. Los cambios de luz y pH también pueden servir para este propósito.
Pero para extender la técnica a diferentes tipos de nanopartículas, los investigadores necesitarán descubrir cómo cambiar sus líquidos y la configuración del microscopio para alinear las partículas. Las simulaciones por computadora realizadas por el equipo de la UM abren la puerta a trabajos futuros al identificar las fuerzas que hacen que las partículas interactúen y se ensamblen.
“Creemos que ahora tenemos una comprensión lo suficientemente buena de toda la física como para predecir qué sucedería si usáramos partículas de una forma o material diferente”, dijo Tim Moore, director de ingeniería química de la UM, científico investigador asistente y coprimer autor. . Diseñó las simulaciones por computadora con Dwyer y Sharon Glotzer, catedrático del Departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke de la UM y autor correspondiente del estudio.
“La combinación de experimentos y simulaciones es emocionante porque ahora tenemos una plataforma junto con nuestros socios de IU para diseñar, predecir, crear y observar nuevos materiales moldeables en tiempo real”, dijo Glotzer, quien también es profesor en John Werner. Universidad Distinguida Kahn. y Stuart W. Churchill Profesor Colegiado de Ingeniería Química.
La investigación está financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.
