Investigadores del MIT utilizan enlaces moleculares flexibles para crear nuevas estructuras cristalinas de nanopartículas

Una inversión de 20 años de pensamiento en ciencia de materiales

Investigadores del MIT y sus colaboradores han descubierto que las conexiones moleculares flexibles pueden crear estructuras cristalinas de nanopartículas que nunca se habían observado antes. Este hallazgo desafía una suposición de larga data en la ciencia de materiales de que los ligandos conectores deben ser rígidos para mantener las nanopartículas en arreglos planificados.

"Este es un nuevo enfoque en el ensamblaje de nanopartículas que no se había investigado antes. Es emocionante tener una nueva herramienta que es tan contraintuitiva. Es lo exacto opuesto a lo que ha sido el dogma durante 20 años: que necesitas hacer rígidos los ligandos conectores, y cualquier desviación causa que el ensamblaje falle. Mostramos que si simplemente lo llevas al extremo opuesto, funciona igual de bien", dice Rob Macfarlane, profesor Richard P. Simmons (1953) de Metalurgia en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

Cómo funciona el nuevo método

El equipo equipó las nanopartículas con ligandos altamente flexibles que llevan cargas eléctricas en sus extremos. Algunos conectores tienen cargas positivas y otros tienen cargas negativas. Debido a que las cargas opuestas se atraen, las moléculas conectoras se doblan hacia los socios con la carga opuesta, ayudando a las nanopartículas a unirse.

Los investigadores utilizaron nanopartículas de oro con ligandos hechos de un polímero común y flexible llamado PEG, rematados con cargas positivas o negativas. También se ejecutaron simulaciones por computadora para seguir lo que mostraba el experimento. Sin rigidez, los ligandos se agrupaban donde las partículas se tocaban, limitando el número de conexiones que se podían realizar.

Al cambiar los tamaños de las nanopartículas y las longitudes de sus cadenas moleculares flexibles, el equipo pudo controlar cuántas partículas vecinas se conectaba cada una. Las partículas más pequeñas condujeron a menos enlaces.

Nuevas estructuras cristalinas y aplicaciones potenciales

El método produjo estructuras cristalinas ordenadas que no se habían visto antes. Estos arreglos de nanopartículas, a menudo llamados superredes, son más abiertos que las estructuras densamente empaquetadas que comúnmente se forman durante el ensamblaje de nanopartículas.

"Sin necesidad de predefinir dónde se conectan las partículas o cuáles son sus formas, podemos controlar el número de enlaces que tiene cada partícula", explica Macfarlane. "La cantidad de flexibilidad del polímero dicta cuántos enlaces tiene. Nos permite reducir el número de enlaces que tiene cada partícula y hacer redes que nunca habíamos visto antes."

Los investigadores dicen que el enfoque podría apoyar desarrollos en fotónica, catálisis química, medicina, agricultura, electrónica y tecnologías de energía. La funcionalidad de los nuevos materiales aún debe examinarse y probarse.

El equipo de investigación incluyó al candidato a doctorado del MIT Nicholas Sbalbi, al estudiante de doctorado de la University of Delaware Stephen Kronenberger, a la estudiante de pregrado del MIT Hana Shinzawa, a Matthew Ye PhD '26, y a Arthi Jayaraman, exprofesora de la University of Delaware. Los hallazgos fueron publicados en Nature Materials. La investigación recibió apoyo parcial de la National Science Foundation, el Department of Energy, el U.S. Army y el U.S. Navy.

Por qué importa

Controlar cómo se organizan las nanopartículas determina cómo se comporta un material. El nuevo enfoque brinda a los científicos una manera de crear materiales diseñados con propiedades precisamente ingenierizadas sin las complicadas técnicas de fabricación requeridas por los métodos tradicionales. Los próximos pasos serán experimentar con otros materiales de partículas y combinaciones de ligandos, y probar los materiales en escenarios reales.

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Fuentes (en inglés)

• sciencedaily.com: MIT scientists break a 20-year rule and unlock never-before-seen crystal structures | ScienceDaily
• sciencealert.com: MIT Scientists Break a 20-Year Rule And Unlock Never-Before-Seen Crystal Structures : ScienceAlert

Traducción con IA del artículo original en inglés, revisada automáticamente para que diga lo mismo que el original. Las fuentes fueron verificadas en inglés.