Autoensamblaje de partículas activamente cambiantes
Aprovechar la capacidad de autoensamblaje propia de la Naturaleza para crear productos de tamaño nanoscópico que se construyan a sí mismos a partir de bloques reconfigurables y adaptativos es algo así como el Santo Grial de los ingenieros. La mayoría de los estudios realizados hasta la fecha se han centrado en componentes con formas e interacciones que no cambian durante el proceso de ensamblaje (es decir, son estáticos). Un grupo de científicos europeos que trabaja en el proyecto financiado con fondos europeos «Active self-assembly» (ACTSA) está tratando de ir más allá para mejorar la comprensión del autoensamblaje activo mediante estudios teóricos, simulaciones por ordenador y experimentos. El modo más denso de empaquetar objetos en el espacio, también conocido como el problema del empaquetamiento, es algo que ha intrigado a científicos y filósofos desde hace miles de años. En la actualidad, los problemas de empaquetamiento surgen en diversos sistemas a escalas de tamaño muy distintas, desde baterías y catalizadores al autoensamblaje de nanopartículas, coloides y biomoléculas. Pese a que las propiedades de muchos sistemas dependen del empaquetamiento de componentes con distintas formas, carecemos aún de un conocimiento general sobre cómo varía el empaquetamiento en función de la forma de la partícula. En este proyecto, se llevó a cabo un estudio exhaustivo de la dependencia del empaquetamiento con respecto a la forma investigando los empaquetamientos de más de 55 000 poliedros. Los gráficos de superficies de densidad obtenidos pueden servir para guiar experimentos que utilicen la forma y el empaquetamiento del mismo modo que los diagramas de fases constituyen una herramienta esencial de la experimentación química. Las propiedades de forma de partícula son realmente reveladoras de por qué podemos ensamblar determinados cristales, pasar de un cristal a otro diferente o quedarnos atascados en trampas cinéticas. La entropía modula el ordenamiento de las partículas y el comportamiento de fase de los coloides (partículas de una sustancia dispersas en otra diferente). Los integrantes del proyecto ACTSA cuantificaron las fuerzas entrópicas direccionales que tienen a alinear partículas vecinas. Más importante aún, el equipo ha proporcionado un marco de trabajo para cuantificar el papel de la forma en el empaquetamiento y en el autoensamblaje en sistemas experimentales en los que otras fuerzas contribuyen al ensamblaje. Por último, demostraron que el mecanismo se despliega en una amplia gama de sistemas. Los investigadores estudiaron también fenómenos emergentes en sistemas de «peonzas», partículas que experimentan un torque interno constante ya sea en sentido horario o antihorario. Mostraron que el movimiento activo de cuerpos rígidos sin otra interacción entre sí induce una interacción efectiva que favorece su rotación en la misma dirección. Eso puede dar lugar a comportamientos de autoorganización y cooperación que no son posibles en sistemas en equilibrio (sin actividad aplicada). Los resultados obtenidos hasta la fecha han dado ya lugar a tres publicaciones. Se espera que el proyecto suponga una contribución importante a la comprensión de las fuerzas que dirigen el autoensamblaje en sistemas de partículas con interacciones complejas, lo que a su vez ayudaría a ingenieros y diseñadores a crear nuevos sistemas de materiales con capacidades biomiméticas de autoensamblaje para hacer posible una nueva era de nanodispositivos.
Palabras clave
Autoensamblaje, partículas, biomedicina, ciencia de materiales, fuerzas entrópicas
