Nace una nueva clase de materiales inteligentes a partir de supermoléculas

El nacimiento de una nueva clase de materiales inteligentes podría generar funcionalidades hoy inexistentes, con aplicación en diferentes campos de la actividad humana. El desarrollo forma parte de una investigación de especialistas de la University of Illinois y de la Northwestern University, que tiene como base el uso de supermoléculas helicoidales.

Según el artículo publicado por el equipo de investigación en la revista especializada Science y de acuerdo a la nota de prensa difundida por la University of Illinois, las supermoléculas helicoidales se estructuran a partir de esferas de coloide (específicamente látex) en lugar de átomos o moléculas.

Estas estructuras logran auto ensamblarse, abriendo el camino para el desarrollo de una nueva clase de materiales inteligentes. Para ello se emplearían métodos similares a los que pueden observarse en la funcionalidad de las complejas moléculas coloidales. Así lo afirmó Steve Granick, profesor de ingeniería de la Universidad de Illinois y uno de los líderes del equipo de investigación.

Según Granick, los ingenieros e investigadores han desarrollado pequeñas esferas de látex, que se atraen entre sí y al mismo tiempo se repelen en el agua, de acuerdo a las condiciones creadas. La naturaleza dual de estas esferas les brinda la capacidad para formar estructuras inusuales, de manera similar a los átomos y moléculas.

Naturaleza dual

Mientras que en el agua pura las partículas se dispersan por completo debido a la acción de sus cargas contrarias, cuando se agrega sal a la solución empleadas los iones de la misma suavizan la repulsión de las partículas, propiciando su acercamiento y reunión en distintos grupos.

Con concentraciones bajas en sal, se conforman solamente pequeños grupos de algunas pocas partículas. En los niveles superiores y a mayores concentraciones se crean grupos más grandes, conformando intrincadas estructuras helicoidales. Allí estarían dadas las condiciones para “imitar” este fenómeno y desarrollar una nueva generación de materiales inteligentes.

Como sucede con los átomos y las moléculas, las partículas empleadas en esta investigación pueden crecer y conformar estructuras cada vez más complejas. Este fenómeno sería común si estuviéramos hablando de átomos y moléculas que reaccionan químicamente entre sí, pero estas partículas tienen la diferencia de evidenciar el comportamiento dual indicado anteriormente.

De esta manera, el equipo de investigación diseñó esferas con la proporción justa en sus mitades hidrofóbicas para lograr su atracción, pero que a la vez pueden conservar el suficiente dinamismo para permitir el movimiento, cambio y crecimiento del grupo de esferas de coloide.

Aspectos a seguir estudiando

La rigidez de las estructuras desarrolladas a modo de supermoléculas helicoidales varía continuamente, mostrando por ejemplo diseños desordenados, o la única actividad de pequeños grupos o, incluso, grandes concentraciones de máxima complejidad. Una de las ventajas de estas supermoléculas es su tamaño.

Al ser lo suficientemente grandes como para observar su comportamiento en tiempo real usando un microscopio, los investigadores pueden apreciar el momento en el cual las esferas se unen y van creciendo los grupos, ya sea a partir de esferas individuales que se juntan o a través de la fusión entre pequeños grupos.

Las diferentes configuraciones estructurales creadas de modo natural podrían ser aprovechadas para el desarrollo de nuevos materiales inteligentes. En ese caso, los ingenieros podrían diseñar formas útiles que la naturaleza no elegiría, apreciando y optimizando la metodología desplegada.

En el mismo sentido, los cálculos teóricos y simulaciones por ordenador efectuados en el marco de la investigación han evidenciado que las estructuras helicoidales más comunes no son aquellas que resultarían más favorables desde el punto de vista energético. Por el contrario, las esferas se agrupan de una manera óptima y funcional en términos cinéticos.

De aquí en adelante, los especialistas esperan seguir estudiando las propiedades coloidales, con el propósito de optimizar la ingeniería de estructuras. Por ejemplo, el desarrollo de partículas de diferentes tamaños o formas podría propiciar la creación de supermoléculas con un mayor control sobre su formación. Este trabajo fue apoyado por el Department of Energy de los Estados Unidos y la National Science Foundation.