Cuasicristales coloidales diseñados con ADN

Los cuasicristales son estructuras cristalinas ordenadas pero no repetitivas, con patrones similares a las estructuras de los mosaicos, que han desconcertado a la comunidad científica durante mucho tiempo. La existencia de los cuasicristales ha sido un enigma durante décadas y su descubrimiento fue merecedor del Premio Nobel.

Ahora, un equipo de investigadores e investigadoras del Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales CIC biomaGUNE (País Vasco), del Instituto Internacional de Nanotecnología de la Universidad Northwestern y de la Universidad de Michigan (ambas en EE UU) ha desvelado una novedosa metodología para diseñar cuasicristales coloidales utilizando ADN. Este estudio, pionero en el campo de la nanotecnología, se publica en la revista Nature Materials.

"Es muy difícil preparar partículas con esta geometría en tamaños de unos 100 nm y con una uniformidad de tamaños suficientemente buena como para que sea posible generar estas estructuras cuasicristalinas", explica uno de los autores, el profesor Ikerbasque de CIC biomaGUNE Luis Liz Marzán.

"Aunque ahora se conocen varios ejemplos, descubiertos en la naturaleza o por vías serendípicas, nuestra investigación desmitifica su formación y, lo que es más importante, muestra cómo podemos aprovechar la naturaleza programable del ADN para diseñar y ensamblar cuasicristales deliberadamente", señala el coautor Chad Mirkin, de la Universidad Northwestern.

El estudio surgió de una propuesta del grupo de Bionanoplasmónica del CIC biomaGUNE, dirigido por Liz Marzán, pionero en el desarrollo de métodos de fabricación y modificación de la superficie de las nanopartículas para mejorar sus posibilidades de aplicación: "Habíamos encontrado precisamente la forma de sintetizar nanopartículas con geometría decaédrica —partículas con diez lados— y con la calidad suficiente para abordar este estudio. La geometría decaédrica es esencial en este caso por la simetría pentagonal que implica. Los pentágonos son elementos geométricos esenciales en los cuasicristales y esto es lo que ha permitido llegar a esos materiales tan especiales".

Por su parte, el grupo liderado por la profesora Sharon Glotzer de la Universidad de Michigan había predicho ya en 2009 el primer cuasicristal de nanopartículas en capas: "En nuestra simulación original del cuasicristal, la disposición de los decaedros dejaba espacios muy pequeños entre sí. Aquí, esos huecos los rellenaría el ADN", explica Glotzer, coautora también del estudio.

El estudio se ha centrado en el ensamblaje de nanopartículas decaédricas utilizando el ADN como estructura guía, en un medio coloidal: "Es decir, en un medio no homogéneo en el que las partículas están suspendidas en un fluido", explica Liz Marzán.

Mediante una combinación de simulaciones por ordenador y experimentos meticulosos, el equipo ha descubierto algo extraordinario: estas nanopartículas decaédricas pueden organizarse para formar estructuras cuasicristalinas con fascinantes motivos pentagonales y hexagonales (penta y hexacoordinados), que culminan en la creación de un cuasicristal dodecagonal.

"Las nanopartículas decaédricas poseen una simetría quíntuple característica que desafía las normas convencionales de los mosaicos periódicos —explica el profesor Mirkin—. Aprovechando las capacidades programables del ADN, hemos podido dirigir el ensamblaje de estas nanopartículas en una robusta estructura cuasicristalina".

El equipo de investigación ha funcionalizado nanopartículas de oro decaédricas con ADN corto de doble cadena y ha aplicado un proceso de enfriamiento controlado con precisión para facilitar el ensamblaje. "Hemos unido cadenas de ADN a las nanopartículas, para dirigir su ordenamiento, incluso de forma reversible porque es sensible a la temperatura", apunta Liz Marzán.

Las superredes cuasicristalinas resultantes han mostrado un orden cuasiperiódico de rango medio, con análisis estructurales rigurosos que confirman la presencia de una simetría de doce pliegues y un patrón de mosaico triangular-cuadrado, características distintivas de un cuasicristal dodecagonal.

"Gracias a la ingeniería de los cuasicristales coloidales, hemos logrado un hito importante en el campo de la nanociencia. Nuestro trabajo no sólo arroja luz sobre el diseño y la creación de intrincadas estructuras a nanoescala, sino que también abre un mundo de posibilidades para materiales avanzados y aplicaciones nanotecnológicas innovadoras", ha declarado el profesor del CIC biomaGUNE.

"Las implicaciones de este avance son de gran alcance, ya que ofrece un posible modelo para la síntesis controlada de otras estructuras complejas que antes se consideraban inalcanzables", señalan los investigadores. A medida que la comunidad científica se adentra en las ilimitadas perspectivas de la materia programable, esta investigación allana el camino para avances y aplicaciones transformadoras en diversos ámbitos científicos.

Referencia:

Wenjie Zhou et al. "Colloidal Quasicrystals Engineered with DNA". Nature Materials, 2023