Patrones de partículas generados por cargas de superficie

Ajustar la estructura de un material a escala nanométrica puede ser realmente complicado de llevar a cabo, pero ¿y si tuviésemos pequeñas partículas, las cuales se ensamblen todas por si mismas, creando la estructura requerida? En la Inversidad Tecnológica de Viena, el fenómeno del autoensamblado estça siendo investigado mediante el estudio de partículas cargadas de forma no homogénea. Dependiendo de los diferentes parámetros, estas pueden formar estructuras tipo gel o tipo cristal.

En las simulaciones por ordenador del equipo de investigadores, se han podido reproducir el comportamiento de las partículas no mayores de unos pocos micrómetros, comparables a virus o pequeñas bacterias. Los investigadores están especialmente interesados en las nanopartículas con una superficie complicada, consistente en diferentes tipos de parches que se distinguen por las diferentes propiedades físicas.

El reciente trabajo se ha centrado en partículas con regiones de superficie cargadas no homogéneas: La mayor parte de la partícula porta una carga eléctrica negativa, pero las regiones polares en la parte superior e inferior de la partícula están positivamente cargadas. Debido al hecho de que las cargas iguales se repelen mientras que las opuestas se atraen la una a la otra, estas partículas tienden a alinearse de manera que el polo de una de las partículas apunta hacia el ecuador de la otra. Pero cuando muchas de esas partículas interactúan, las cosas se complican.

Ahora, las simulaciones por ordenador han sido capaces de mostrar cómo se comportan estas partículas cuando están atrapadas entre dos planos, de manera que se tienen que alinear en estructuras cuasi bidimensionales. El resultado mostró que existen diferentes posibles configuraciones: a veces las partículas se agrupan muy juntas en una estructura hexagonal simple, la cual es bien conocida por darse en cristales. A veces emerge una estructura tipo gel menos ordenada, con anillos interconectados de cinco o seis partículas.

Con este nuevo modelo, se puede saber qué parámetros determinan la estructura emergente. El tamaño de los parches polares cargados positivamente juegan un rol especialmente importante. Las esferas en las cuales el borde entre las cargas positivas y negativas está a 45º grados de latitud crea estructuras mucho más ordenadas que las partículas en las cuales el borde está cerca del polo, a 60º. El resultado puede también verse influenciado por el ajuste de la carga eléctrica de la placa del suelo en la que se asientan las partículas, un parámetro que es muy fácil de controlar en un experimento. Dicho parámetro controla el tamaño de los agregados y pueden incluso ser responsable de una completa supresión de la agregación de partículas.

La comprensión del autoensamblado de micropartículas abre la puerta al diseño de partícuñas que formen automáticamente estructuras a medida. Dependiendo del alineamiento microscópico de las partículas, estas crean tipos de superficies con diferentes densidades y diferentes respuestas a un estímulo externo, por ejemplo un campo electromagnético. Esto significa que las estructura autoensambladas podría se usadas por ejemplo para crear filtros con porosidad variable y ajustable.

Via Tuwein