Investigadores convierten la luz en control remoto para cristalización de partículas

Un grupo de investigadores de la Universidad de Nueva York (NYU) logró un avance significativo al desarrollar una técnica que utiliza la luz para guiar la formación de cristales a partir de partículas microscópicas. Este hallazgo, publicado en la revista Chem de Cell Press, transforma la luz en una herramienta para moldear la materia, lo que podría abrir nuevas posibilidades en la creación de materiales adaptativos y responsivos.

Los cristales son estructuras comunes en la naturaleza y en la tecnología, presentes en elementos como los copos de nieve, los diamantes y los componentes de los dispositivos electrónicos. Su formación se basa en la organización de partículas en patrones repetitivos y precisos. Para entender cómo emergen estas estructuras, los científicos a menudo estudian partículas coloidales, que son pequeñas esferas suspendidas en un líquido que se ensamblan naturalmente en arreglos ordenados.

A pesar de la utilidad de los cristales, el control sobre su formación ha sido un desafío importante. "El reto en este campo ha sido el control: los cristales suelen formarse donde y cuando quieren, y una vez que se establecen las condiciones, se tiene una capacidad limitada para ajustar el proceso en tiempo real", explicó Stefano Sacanna, profesor de química en NYU.

Los investigadores identificaron un método sorprendentemente simple para dirigir la formación de cristales: iluminar el sistema. Introdujeron moléculas sensibles a la luz, conocidas como fotoácidos, en un líquido que contenía partículas coloidales. Cuando estas moléculas se exponen a la luz, se vuelven temporalmente más ácidas, lo que altera la interacción con las superficies de las partículas y modifica su carga eléctrica. Esto permite controlar si las partículas se atraen o se repelen entre sí.

"Esencialmente, utilizamos la luz como un control remoto para programar cómo se organiza la materia a nivel microscópico", añadió Sacanna.

A través de una combinación de experimentos y simulaciones por computadora, el equipo demostró que al ajustar el brillo, la duración y el patrón de la luz, podían dirigir el comportamiento de los cristales con una precisión notable. Esto les permitió iniciar el crecimiento de cristales o hacer que se disolvieran a voluntad, así como determinar dónde ocurría la cristalización y remodelar las estructuras.

El estudio también destacó que el uso de fotoácidos otorgó un nivel sorprendente de control sobre la atracción entre partículas. "Simplemente al aumentar o disminuir un poco la luz, se podía cambiar entre que las partículas se adhirieran completamente o permanecieran totalmente libres", explicó Steven van Kesteren, investigador postdoctoral en el laboratorio de Sacanna en ETH Zúrich.

Una ventaja notable de este enfoque es su simplicidad, ya que funciona como un experimento de "una sola olla". No fue necesario rediseñar las partículas o ajustar repetidamente las concentraciones de sal en ensayos separados; bastaba con cambiar el nivel de iluminación para inducir la formación o disolución de los cristales.

Este avance sugiere que es posible desarrollar materiales cuya estructura interna y, por ende, sus propiedades, puedan ser ajustadas mediante luz. Por ejemplo, los materiales fotónicos podrían tener su color o respuesta óptica escritos, borrados y reescritos bajo demanda. En el futuro, los cristales coloidales programables por luz podrían habilitar recubrimientos ópticos reconfigurables, sensores adaptativos y tecnologías de almacenamiento de datos de próxima generación, donde los patrones y funciones se definan dinámicamente mediante la iluminación.

"Nuestro enfoque nos acerca a materiales coloidales dinámicos y programables que pueden reconfigurarse a demanda", concluyó Glen Hocky, profesor asociado de química y miembro del Simons Center for Computational Physical Chemistry en NYU. Este sistema también permite probar diversas predicciones sobre cómo debería comportarse la autoensamblaje cuando las interacciones entre partículas o moléculas cambian en el espacio o el tiempo.

Los autores adicionales del estudio incluyen a Nicole Smina, Shihao Zang y Cheuk Wai Leung, todos de NYU. La investigación recibió apoyo de la US Army Research Office, la Swiss National Science Foundation y el NYU Simons Center for Computational Physical Chemistry.

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