Fabricación de bloques de construcción de nanopartículas para nuevos materiales

18 de febrero de 2023 (Noticias de Nanowerk) Algunos investigadores están motivados por la búsqueda de mejorar un producto específico, como una batería o un semiconductor. Otros están motivados por abordar cuestiones a las que se enfrenta una determinada industria. Rob Macfarlane, profesor asociado Paul M. Cook del MIT en ciencia e ingeniería de materiales, está impulsado por un deseo más fundamental. “Me gusta hacer cosas”, dice Macfarlane. “Quiero hacer materiales que puedan ser funcionales y útiles, y quiero hacerlo descifrando los principios básicos que intervienen en la fabricación de nuevas estructuras en muchos rangos de tamaños diferentes”. “Me gusta hacer cosas”, dice Macfarlane. “Quiero hacer materiales que puedan ser funcionales y útiles, y quiero hacerlo descifrando los principios básicos que intervienen en la fabricación de nuevas estructuras en muchos rangos de tamaños diferentes”. (Imagen: Adam Glanzman) Y agrega: “Para muchas industrias o tipos de ingeniería, la síntesis de materiales se trata como un problema resuelto: hacer un nuevo dispositivo consiste en usar los materiales que ya tenemos, de nuevas maneras. En los esfuerzos de investigación de nuestro laboratorio, a menudo tenemos que educar a las personas que la razón por la que no podemos hacer X, Y o Z en este momento es porque no tenemos los materiales necesarios para permitir esos avances tecnológicos. En muchos casos, simplemente no sabemos cómo hacerlos todavía. Este es el objetivo de nuestra investigación: nuestro laboratorio se trata de habilitar los materiales necesarios para desarrollar nuevas tecnologías, en lugar de centrarse solo en los productos finales”. Al descubrir los principios de diseño de los nanocompuestos, que son materiales hechos de mezclas de polímeros y nanopartículas, la carrera de Macfarlane ha evolucionado gradualmente desde el diseño de motas de materiales novedosos hasta la construcción de objetos funcionales que puede sostener en la mano. Con el tiempo, cree que su investigación conducirá a nuevas formas de fabricar productos con combinaciones predeterminadas y ajustadas de las propiedades eléctricas, mecánicas, ópticas y magnéticas deseadas. En el camino, Macfarlane, quien obtuvo la titularidad el año pasado, también se comprometió a ser mentor de los estudiantes. Ha impartido tres cursos de química de pregrado en el MIT, incluido su curso actual, 3.010 (Síntesis y diseño de materiales), que introduce a los estudiantes de segundo año a los conceptos fundamentales necesarios para diseñar y fabricar sus propias estructuras nuevas en el futuro. También rediseñó recientemente un curso en el que les enseña a los estudiantes de posgrado cómo ser educadores aprendiendo a hacer cosas como escribir un programa de estudios, comunicarse con los estudiantes y asesorarlos, y diseñar tareas para el hogar. En última instancia, Macfarlane cree que asesorar a la próxima generación de investigadores es tan importante como publicar artículos. “Soy afortunado. He tenido éxito y tengo la oportunidad de realizar una investigación que me apasiona”, dice. “Ahora veo que un componente importante de mi trabajo es permitir que mis estudiantes tengan éxito. El producto real y el resultado de lo que hago aquí no son solo los avances científicos y tecnológicos y las patentes, son los estudiantes que van a la industria o a la academia o a cualquier otro lugar que elijan, y luego cambian el mundo a su manera”.

De nanómetros a milímetros

Macfarlane nació y creció en una pequeña granja en Palmer, Alaska, una comunidad suburbana a unos 45 minutos al norte de Anchorage. Cuando estaba en la escuela secundaria, la ciudad anunció recortes presupuestarios que obligarían a la escuela a reducir varias clases. En respuesta, la madre de Macfarlane, ex maestra de escuela, lo animó a inscribirse en las clases de educación científica que se ofrecerían a los estudiantes un año mayores que él, para que no perdiera la oportunidad de tomarlas. “Ella sabía que la educación era primordial, así que dijo: 'Vamos a conseguir que asistas a estas últimas clases antes de que se diluyan'”, recuerda Macfarlane. Macfarlane no conocía a ninguno de los estudiantes de sus nuevas clases, pero tenía un profesor de química apasionado que lo ayudó a descubrir el amor por la materia. Como resultado, cuando decidió asistir a la Universidad de Willamette en Oregón como estudiante universitario, inmediatamente se declaró estudiante de química (que luego ajustó a bioquímica). Macfarlane asistió a la Universidad de Yale para obtener su maestría e inicialmente comenzó un doctorado allí antes de mudarse a la Universidad Northwestern, donde un seminario para estudiantes de doctorado colocó a Macfarlane en el camino que seguiría por el resto de su carrera. “[El estudiante de doctorado] estaba haciendo exactamente lo que a mí me interesaba”, dice Macfarlane, quien le pidió al asesor de doctorado del estudiante, el profesor Chad Mirkin, que también fuera su asesor. “Fui muy afortunado cuando me uní al laboratorio de Mirkin, porque el proyecto en el que trabajé lo había iniciado un estudiante de posgrado de sexto año y un posdoctorado que publicó un artículo importante y luego se fue de inmediato. Entonces, había este campo abierto en el que nadie estaba trabajando. Era como recibir un lienzo en blanco con mil cosas diferentes para hacer”. El trabajo giró en torno a una forma precisa de unir partículas utilizando hebras de ADN sintético que actúan como velcro. Los investigadores saben desde hace décadas que ciertos materiales exhiben propiedades únicas cuando se ensamblan en una escala de 1 a 100 nanómetros. También se creía que construir cosas a partir de esos ensamblajes organizados con precisión podría dar a los objetos propiedades únicas. El problema era encontrar una manera de hacer que las partículas se unieran de manera predecible. Con el enfoque basado en el ADN, Macfarlane tuvo un punto de partida. “[Los investigadores] habían dicho: 'Está bien, hemos demostrado que podemos hacer una cosa, pero ¿podemos hacer todas las cosas con ADN?'”, dice Macfarlane. “Mi tesis doctoral trataba sobre el desarrollo de reglas de diseño para que, si utiliza un conjunto específico de bloques de construcción, obtenga como resultado un conjunto conocido de nanoestructuras. Esas reglas nos permitieron hacer cientos de estructuras cristalinas diferentes con diferentes tamaños, composiciones, formas, estructuras de celosía, etc. Después de completar su doctorado, Macfarlane sabía que quería dedicarse a la academia, pero su mayor prioridad no tenía nada que ver con el trabajo. “Quería ir a un lugar cálido”, dice Macfarlane. “Había vivido en Alaska durante 18 años. Hice un doctorado en Chicago durante seis años. Solo quería ir a un lugar cálido por un tiempo”. Macfarlane terminó en Caltech en Pasadena, California, trabajando en los laboratorios de Harry Atwater y el premio Nobel Bob Grubbs. Los investigadores de esos laboratorios estaban estudiando el autoensamblaje utilizando un nuevo tipo de polímero, que, según Macfarlane, requería un conjunto de habilidades "completamente diferente" en comparación con su trabajo de doctorado. En 2015, después de dos años de aprender a construir materiales con polímeros y tomar el sol, Macfarlane volvió a sumergirse en el frío y se unió a la facultad del MIT. En Cambridge, Macfarlane se centró en fusionar las técnicas de ensamblaje que desarrolló para polímeros, ADN y nanopartículas inorgánicas para fabricar nuevos materiales a mayor escala. Ese trabajo llevó a Macfarlane y a un grupo de investigadores a crear un nuevo tipo de bloques de construcción autoensamblados que su laboratorio ha denominado "tectones nanocompuestos" (NCT). Los NCT usan polímeros y moléculas que pueden imitar la capacidad del ADN para dirigir la autoorganización de objetos a nanoescala, pero con mucha más escalabilidad, lo que significa que estos materiales podrían usarse para construir objetos macroscópicos que una persona puede sostener en su mano. “[Los objetos] tenían una composición controlada a nivel de polímeros y nanopartículas; tenían tamaños de grano controlados y características microestructurales; y tenían una forma tridimensional macroscópica controlada; y eso nunca se había hecho antes”, dice Macfarlane.

Un mundo de posibilidades

A medida que Macfarlane continúa trabajando para hacer que las NCT sean más escalables, está entusiasmado con una serie de aplicaciones potenciales. Uno implica programar objetos para transferir energía de formas específicas. En el caso de la energía mecánica, si golpeas el objeto con un martillo o estás involucrado en un accidente automovilístico, la energía resultante podría disiparse de manera que proteja lo que está del otro lado. En el caso de los fotones o electrones, podría diseñar una ruta precisa para que la energía o los iones viajen, lo que podría mejorar la eficiencia de los componentes de almacenamiento, computación y transporte de energía. La verdad es que un diseño de materiales tan preciso tiene demasiadas aplicaciones potenciales para contarlas. Trabajar en problemas tan fundamentales emociona a Macfarlane, y las posibilidades que surgen de su trabajo solo crecerán a medida que su equipo continúe avanzando. “Al final, los NCT abren muchas posibilidades nuevas para el diseño de materiales, pero lo que podría ser especialmente relevante industrialmente no son tanto los NCT en sí, sino lo que hemos aprendido en el camino”, dice Macfarlane. “Hemos aprendido a desarrollar nuevas síntesis y métodos de procesamiento, por lo que una de las cosas que más me emociona es crear materiales con estos métodos que tengan composiciones que antes eran inaccesibles”.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62402.php