Los investigadores de la Universidad de Northwestern han desarrollado una técnica única para crear clases completamente nuevas de materiales ópticos y dispositivos que podrían conducir a dispositivos de doblez y encubrimiento de luz, noticias para animar a Spock de Star Trek.
Utilizando el ADN como herramienta clave, el equipo interdisciplinario tomó nanopartículas de oro de diferentes tamaños y formas y las arregló en dos y tres dimensiones para formar superredes ópticamente activas. Las estructuras con configuraciones específicas podrían programarse mediante la elección del tipo de partícula y el ADN-patrón y secuencia para exhibir casi cualquier color a través del espectro visible, informan los científicos.
"La arquitectura lo es todo al diseñar nuevos materiales, y ahora tenemos una nueva forma de controlar con precisión las arquitecturas de partículas en grandes áreas", dijo Chad A. Mirkin, profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinbergen Northwestern: "Los químicos y los físicos podrán construir un número casi infinito de nuevas estructuras con todo tipo de propiedades interesantes. Estas estructuras no pueden hacerse mediante ninguna técnica conocida".
La técnica combina un antiguo método de fabricación: litografía de arriba hacia abajo, el mismo método utilizado para hacer chips de computadora, con uno nuevo, autoensamblaje programable impulsado por ADN. El equipo de Northwestern es el primero en combinar los dospara lograr el control individual de partículas en tres dimensiones.
El estudio fue publicado en línea por la revista ciencia hoy 18 de enero. Mirkin y Vinayak P. Dravid y Koray Aydin, ambos profesores de la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, son co-autores correspondientes.
Los científicos podrán utilizar la técnica poderosa y flexible para construir metamateriales, materiales que no se encuentran en la naturaleza, para una gama de aplicaciones que incluyen sensores para usos médicos y ambientales.
Los investigadores utilizaron una combinación de simulaciones numéricas y técnicas de espectroscopía óptica para identificar superredes de nanopartículas particulares que absorben longitudes de onda específicas de luz visible. Las nanopartículas modificadas con ADN, oro en este caso, se colocan en una plantilla pre-estampada hecha deADN complementario: se pueden formar pilas de estructuras introduciendo una segunda y luego una tercera partícula modificada con ADN con ADN que es complementaria a las capas posteriores.
Además de ser arquitecturas inusuales, estos materiales responden a los estímulos: las cadenas de ADN que las mantienen unidas cambian de longitud cuando se exponen a nuevos entornos, como soluciones de etanol que varían en concentración. El cambio en la longitud del ADN, según los investigadoresencontrado, dio como resultado un cambio de color de negro a rojo a verde, lo que proporciona una capacidad de ajuste extrema de las propiedades ópticas.
"Ajustar las propiedades ópticas de los metamateriales es un desafío importante, y nuestro estudio logra uno de los rangos de sintonización más altos logrados hasta la fecha en metamateriales ópticos", dijo Aydin, profesor asistente de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en McCormick.
"Nuestra nueva plataforma de metamateriales, habilitada por el control preciso y extremo de la forma, el tamaño y el espaciado de las nanopartículas de oro, es muy prometedora para los metamateriales y metasuperficies ópticos de próxima generación", dijo Aydin.
El estudio describe una nueva forma de organizar las nanopartículas en dos y tres dimensiones. Los investigadores utilizaron métodos de litografía para perforar pequeños agujeros, solo una nanopartícula de ancho, en una resistencia de polímero, creando "almohadillas de aterrizaje" para componentes de nanopartículas modificados con hebrasde ADN. Las plataformas de aterrizaje son esenciales, dijo Mirkin, ya que mantienen las estructuras que crecen verticalmente.
Las plataformas de aterrizaje nanoscópicas se modifican con una secuencia de ADN, y las nanopartículas de oro se modifican con ADN complementario. Al alternar nanopartículas con ADN complementario, los investigadores construyeron pilas de nanopartículas con un control posicional tremendo y sobre un área grande. Las partículas pueden serdiferentes tamaños y formas esferas, cubos y discos, por ejemplo.
"Este enfoque se puede utilizar para construir redes periódicas a partir de partículas ópticamente activas, como oro, plata y cualquier otro material que se pueda modificar con ADN, con una precisión extraordinaria a nanoescala", dijo Mirkin, director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern.
Mirkin también es profesor de medicina en la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern y profesor de ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela McCormick.
El éxito del ensamblaje programable de ADN reportado requirió experiencia con materiales híbridos blandos y duros y exquisitas capacidades de nanopatterning y litografía para lograr la resolución espacial, definición y fidelidad requeridas en grandes áreas de sustrato. El equipo del proyecto recurrió a Dravid durante mucho tiempo.colaborador de Mirkin's que se especializa en nanopatterning, microscopía avanzada y caracterización de nanoestructuras blandas, duras e híbridas.
Dravid contribuyó con su experiencia y ayudó a diseñar la estrategia de nanopatterning y litografía y la caracterización asociada de las nuevas estructuras exóticas. Es el profesor Abraham Harris de Ciencia e Ingeniería de Materiales en McCormick y el director fundador del centro NUANCE, que alberga elpatrones avanzados, litografía y caracterización utilizados en las estructuras programadas con ADN.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Megan Fellman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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