Científicos del MIT rompen una regla de 20 años y descubren nuevas estructuras cristalinas

Durante décadas, los científicos han buscado controlar cómo se conectan las nanopartículas para formar materiales avanzados. Sin embargo, investigadores del MIT y sus colaboradores han encontrado que hacer lo contrario a lo que se creía necesario puede producir resultados sorprendentes.

En lugar de utilizar conexiones moleculares rígidas para mantener las nanopartículas en disposiciones cuidadosamente planificadas, el equipo desarrolló conectores extremadamente flexibles que se adaptan a medida que las partículas se unen. Esta estrategia inesperada otorga a los científicos un nuevo método para controlar cómo se organizan las nanopartículas, permitiendo la creación de estructuras cristalinas nunca antes observadas.

Este descubrimiento podría ayudar a superar un gran obstáculo en la ciencia de materiales y abrir nuevas posibilidades para crear sustancias con propiedades diseñadas de manera precisa. Las aplicaciones potenciales incluyen electrónica, medicina, tecnologías energéticas, agricultura y fabricación química.

Los hallazgos, que serán publicados en la revista Nature Materials, demuestran cómo la flexibilidad y las cargas eléctricas de los conectores moleculares pueden determinar las estructuras que forman las nanopartículas.

Desafío a 20 años de ciencia de materiales

"Las personas están interesadas en los superlattice de nanopartículas por la promesa de construir materiales diseñados donde se tiene más control sobre qué tipo de estructuras se pueden formar", afirmó Rob Macfarlane, profesor en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería del MIT. "Este es un nuevo enfoque en el ensamblaje de nanopartículas que no se había investigado antes. Es emocionante contar con una nueva herramienta que es tan contraintuitiva. Es exactamente lo opuesto a lo que se ha creído durante 20 años: que se necesitan ligandos rígidos para que el ensamblaje funcione. Demostramos que si se lleva todo al extremo opuesto, funciona igual de bien".

El equipo de investigación también incluyó al candidato a doctorado del MIT, Nicholas Sbalbi, al estudiante de doctorado de la Universidad de Delaware, Stephen Kronenberger, a la estudiante de pregrado del MIT, Hana Shinzawa, al doctorando Matthew Ye y a Arthi Jayaraman, una exprofesora de la Universidad de Delaware.

En el corazón del descubrimiento se encuentra un principio básico de la ciencia de materiales: la forma en que se organizan los componentes más pequeños de un material determina su comportamiento. "Eso significa que si conoces cuáles son tus bloques de construcción y cómo están organizados, puedes explicar qué propiedades tienen los materiales", agregó Macfarlane.

Desafíos en el control de nanopartículas

Uno de los mayores obstáculos es controlar cómo se unen las nanopartículas entre sí. Los científicos deben determinar no solo cuántas partículas vecinas se conectan con cada nanopartícula, sino también las direcciones en las que se forman esas conexiones. Sin ese control, las nanopartículas tienden a ensamblarse en arreglos compactos que restringen la variedad de estructuras que los investigadores pueden producir.

Tradicionalmente, los investigadores han abordado el problema de dos maneras. Una estrategia consiste en cambiar las formas de las nanopartículas para influir en cómo encajan entre sí. La otra implica modificar áreas específicas de sus superficies para que solo ciertas regiones atraigan a las partículas vecinas.

Aunque estos métodos pueden producir estructuras útiles, a menudo son complicados, altamente especializados y difíciles de adaptar para la producción a gran escala. Macfarlane explicó que "el desafío con ambos enfoques es que son difíciles de hacer sintéticamente al crear las partículas".

Ambas estrategias dependen de conectores moleculares llamados ligandos. Estas moléculas se adhieren a las superficies de las nanopartículas y ayudan a enlazar las partículas vecinas. Tradicionalmente, los investigadores han intentado hacer que estos ligandos sean rígidos para que las conexiones mantengan ángulos cuidadosamente controlados. Esto ayuda a mantener un arreglo deseado, pero también restringe los tipos de estructuras que pueden formarse y las funciones que pueden realizar.

Un descubrimiento sorprendente sobre enlaces moleculares flexibles

En lugar de forzar a los conectores moleculares a permanecer en posiciones fijas, los investigadores se preguntaron si otorgarles casi completa libertad para doblarse podría ofrecer una nueva forma de control. "Pensamos: 'Hagamos lo contrario: hagamos que los enlaces sean tan flexibles que no importe en qué dirección estén apuntando inicialmente'", comentó Macfarlane.

La idea invierte el enfoque habitual del ensamblaje de nanopartículas. En lugar de controlar la orientación de cada conexión por adelantado, los científicos permiten que los conectores se ajusten naturalmente a medida que las partículas interactúan.

El laboratorio de Macfarlane ha pasado años desarrollando formas de construir diferentes tipos de nanopartículas utilizando cadenas de polímeros adjuntas. Para el nuevo sistema, el equipo equipó las nanopartículas con ligandos altamente flexibles que llevan cargas eléctricas en sus extremos. Algunos tienen cargas positivas, mientras que otros tienen cargas negativas.

La atracción entre cargas eléctricas opuestas ayuda a que las moléculas de conector se inclinen hacia los socios con carga opuesta, facilitando la unión de las nanopartículas. La flexibilidad de los conectores influye en cuántas conexiones puede realizar cada partícula.

Los experimentos liderados por Sbalbi demostraron que los investigadores podían ajustar las conexiones entre nanopartículas cambiando dos características relativamente sencillas: los tamaños de las partículas y las longitudes de sus cadenas moleculares flexibles. Estos ajustes alteraron cómo se ensamblaban las partículas, dando al equipo control sobre el número de partículas vecinas con las que cada una podía conectarse.

Lo más importante es que los investigadores utilizaron este método para producir estructuras cristalinas nunca antes vistas. Los cristales son materiales cuyos bloques de construcción forman patrones organizados y repetitivos. En este caso, los arreglos repetidos están hechos de nanopartículas en lugar de átomos individuales o pequeñas moléculas.

Un nuevo camino hacia materiales personalizables

Los investigadores creen que su método podría acercar a los científicos a un objetivo largamente buscado en la ciencia de materiales: elegir las propiedades de nanopartículas individuales independientemente de las estructuras más grandes en las que se ensamblan. Idealmente, los científicos podrían seleccionar nanopartículas por sus características eléctricas, ópticas, químicas u otras útiles y luego organizar esas partículas en la disposición que mejor sirva a una aplicación particular.

La capacidad de construir estructuras de nanopartículas más abiertas y variadas podría resultar particularmente valiosa para desarrollar materiales avanzados. En fotónica, que implica controlar y manipular la luz, nanopartículas organizadas de manera precisa podrían ayudar a los investigadores a diseñar materiales con propiedades ópticas especializadas.

Aunque se necesitará un mayor desarrollo para traducir el método en tecnologías comerciales, el descubrimiento establece la flexibilidad molecular como una nueva estrategia para crear materiales con estructuras adaptadas.

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