Este nanocristal complejo es engañosamente similar a una rosa (Imagen: Wim Noorduin)
Leyendo en voz alta A primera vista, son como flores normales: vemos los pétalos finamente cincelados de una rosa, el delicado azul de las violetas y las extrañas formas de orquídeas exóticas. Pero en realidad es un punto de atracción de la nanotecnología. Porque lo que florece son estructuras microscópicas de cristales. Investigadores estadounidenses han creado estas increíbles mini-esculturas manipulando el proceso de autoorganización de estos cristales. Solo cambiando la temperatura, el pH y el contenido de dióxido de carbono del medio ambiente indujeron a las nanoestructuras a adoptar la forma deseada. Según los científicos, sus resultados demuestran claramente el potencial de la nanoconstrucción al permitir que los procesos de autoorganización funcionen de esta manera. "Las diversas formas y patrones que la naturaleza produce tanto en los más grandes como en los más pequeños fascinan a artistas y científicos durante siglos", explican Wim Noorduin, de la Universidad de Harvard en Cambridge, y sus colegas. Detrás de muchas características como el color, la humectabilidad o el comportamiento mecánico de los productos naturales se encuentran nanoestructuras estructuradas jerárquicamente. Según los investigadores, la fabricación artificial y a medida podría mejorar o incluso redefinir muchas tecnologías, desde la catálisis y la óptica hasta la estática. Hasta ahora, sin embargo, solo ha tenido éxito parcialmente en producir exactamente las nanoestructuras que se necesitan. Para las técnicas de construcción convencionales no funcionan en la nanoescala o son demasiado caras. Por lo tanto, muchos enfoques utilizan la tendencia de algunas sustancias a autoensamblarse en ciertas formas debido a sus propiedades químicas.

Pero hasta ahora, es difícil controlar estos procesos de autoorganización: "Las formas que surgen en estos procesos, a menudo son bastante inesperadas y rara vez se pueden predecir y generar específicamente", dicen Noorduin y sus colegas. Entre otras cosas, esto se debe al hecho de que a menudo uno se ha centrado solo en influir en las condiciones iniciales de estas reacciones. Pero una mirada a la naturaleza muestra que surgen muchas formas complejas porque su entorno ha cambiado dinámicamente durante el proceso de crecimiento. Por ejemplo, muchas conchas calcáreas de organismos marinos muestran cambios abruptos en su patrón y estructura esquelética debido a cambios en la química del agua. También son los gradientes químicos los que determinan la forma de las colonias bacterianas e incluso nuestro propio embrión, como explican los investigadores.

Manipulación por dióxido de carbono, pH y temperatura.

"Con nuestro estudio, queríamos demostrar lo que es posible solo cambiando deliberadamente las condiciones químicas y físicas", explica Noorduin. Como material para sus experimentos, eligieron los complejos de cristales de carbonato de bario y silicato (BaCO 3 -SiO 2 ). Estos surgen cuando el cloruro de bario y el silicato de sodio se disuelven en agua y luego se introduce dióxido de carbono. Al principio, se depositan cristales de carbonato de bario. Esto reduce el pH en su entorno inmediato, deteniendo así la reacción y, en cambio, el silicato comienza a depositarse. Esto a su vez hace que el pH aumente nuevamente y reinicia la deposición de carbonato. Gradualmente, dicha estructura crece a partir de capas cambiantes de estas moléculas. visualización

"Este crecimiento de cristales ocurre espontáneamente, pero si desea influir en él, simplemente puede cambiar las condiciones de reacción para determinar la forma en que crecen estos cristales", explica Noorduin. Si, por ejemplo, la concentración de dióxido de carbono aumenta en pulsos, se forma un espesamiento en forma de costilla en el cristal. Usado en el momento correcto, puede usarse para producir hojas anchas. Usando el gradiente de pH, los investigadores controlaron la dirección de crecimiento de las estructuras y generaron, por ejemplo, gradientes curvos, formas curvas y enrolladas. A través de varias combinaciones de estas manipulaciones, incluso surgieron formas complejas de flores ramificadas y retorcidas. Sin embargo, estos son tan pequeños que solo se pueden visualizar con un microscopio electrónico de barrido. Sin embargo, el aumento revela cuán increíblemente similares son estas nanoestructuras, en parte, a sus modelos naturales a seguir.

Wim Noorduin (Harvard University, Cambridge) et al., Science, doi: 10.1126 / science.1234621 © science.de - === Nadja Podbregar

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