Nanotecnología: Cerraduras y llaves para construir pequeñas estructuras

Investigadores de EEUU han inventado una técnica de «cerradura y llave» que hace que se puedan montar partículas pequeñas en una variedad de estructuras diminutas

El método puede aportar una manera sencilla de crear materiales tecnológicamente útiles a escalas de longitud de micrómetros y nanómetros.

Las partículas que miden entre 100 nm y 1 micra son elementos excelentes para fabricar dispositivos optoelectrónicos. Estas partículas tienen aproximadamente el mismo tamaño que las longitudes de onda en la parte visible del espectro electromagnético, de manera que interactúan fuertemente con la luz.

Una forma prometedora de crear dispositivos es dispersar las partículas en un líquido y que formen un coloide que luego se puede solidificar para crear un cristal coloidal. Las propiedades ópticas de los cristales se pueden ajustar cambiando el espacio entre las partículas. Generalmente se crean dispositivos explotando la capacidad de algunas partículas de autoensamblarse para formar estructuras específicas. Se puede utilizar química de superficie para controlar las formas de estas estructuras revistiendo las partículas con moléculas, como las hebras de ADN, que se unen entre sí.

Configurando algunos bloques de construcción básicos

Ahora Stefano Sacanna, y sus colegas de la Universidad de Nueva York, han inventado un nuevo método de control que no depende de la química en la superficie de las partículas, sino sólo de sus formas. Como resultado, el proceso escapa a muchos problemas asociados con este revestimiento de las partículas con moléculas o el tratamiento de sus superficies. «Idealmente, usted podría diseñar un conjunto con geometría precisa y propiedades físicas y químicas bien definidas dando forma a algunos bloques de construcción básicos y dejando que ellos se auto ensamblen con un mecanismo de cerradura y llave», dice Sacanna.

La técnica emplea dos partículas con características complementarias, por ejemplo, una cavidad esférica en una partícula (la cerradura) y una protuberancia esférica que coincide en la otra (la llave). Las partículas se ponen juntas usando una técnica de «reducción de interacción», que involuvra la adición de un tercer tipo de partículas que son mucho menores que la llave o la cerradura. Cuando se unen una llave y una cerradura, las partículas pequeñas ya no puede encajar entre ellas. Debido a que no hay partículas pequeñas entre las partículas grandes que las empuje aparte, las partículas grandes empiezan a acercarse entre sí como si se sintieran atraídas por una fuerza de corto alcance.

La fuerza de la reducción de interacción es proporcional a lo exacto que resulte el ajuste entre la cerradura y la llave: si el ajuste es pobre, algunas partículas pequeñas pueden entrar en los espacios diferentes y empujar hasta que la llave y la cerradura se separen. Como resultado, las partículas tienden a formar estructuras en las que las cerraduras y llaves están unidas (ver la figura arriba).

Reversibilidad

Gracias al hecho de que la técnica no depende de controlar la química de la superficie de las partículas, permite más libertad en el diseño y montaje de grupos funcionales, afirma Sacanna. La ausencia de enlaces químicos también significa que el montaje es reversible. Los clusters se pueden desmontar por simples cambios en la temperatura.

Otro beneficio importante de la técnica es que el empalme de la cerradura y la llave son mucho más flexibles que los enlaces químicos. «Esta característica nueva y esencial se puede utilizar para crear, por ejemplo, partes móviles en micromaquinaria», le dijo Sacanna a physicsworld.com.

Varias cerraduras pueden unirse a una única llave (véase el gráfico), lo que significa que una estructura puede tener una cantidad de uniones. También sería posible crear más de un «hueco» en una partícula cerradura. Según Michael Salomón, de la Universidad de Michigan, múltiples huecos «introducirían el equivalente coloidal de complejos extendidos de coordinación, como matrices moleculares 2D y 3D que se autoensamblen en geometríass fijas de átomos y lifaduras de moléculas». «El montaje de partículas coloidales puede permitir el acceso a las deseadas, pero hasta ahora difíciles de lograr, estructuras complejas coloidales», añade.

Sacanna y sus colegas planean ahora hacer partículas «inteligentes» e impulsar su automontaje hasta al límite en que se puedan autorreplicar conjuntos de partículas bien definidos y estructurados.

El trabajo es descrito en Nature 464 575.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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