ANN ARBOR, Michigan.— Los ingenieros de la Universidad de Michigan y sus colaboradores han demostrado lo que los investigadores demoraron tres años en creer: la luz misma puede torcer cintas de nanopartículas.
Los resultados de este estudio se publican en la edición actual de la revista Science.
La materia dobla y tuerce la luz fácilmente. Ése es el mecanismo en juego en los lentes ópticos y los lentes polarizantes para mirar películas tridimensionales. Pero la interacción opuesta se ha observado rara vea, dijo Nicholas Kotov, investigador principal del proyecto. Kotov es un profesor en los departamentos de Ingeniería Química, Ingeniería Biomédica, y Ciencias e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Michigan.
Si bien se ha sabido que la luz afecta la materia en escala molecular, doblando o torciendo moléculas con tamaños de unos pocos nanómetros, se había observado que causara tales torceduras mecánicas drásticas en partículas grandes. Las cintas de nanopartículas en este estudio medían entre uno y cuatro micrómetros de longitud. Un micrómetro es la millonésima parte de un metro.
“Al principio no lo creí”, dijo Kotov. “Para ser honesto, nos llevó tres años y medio el determinar, realmente, cómo los protones de luz pueden conducir a tales cambios notables en estructuras rígidas mil veces más grandes que las moléculas”
Kotov y sus colegas habían iniciado este estudio para crear partículas “super chirales” –espirales de metales en nano escala mezclados que, en teoría, podrían enfocar la luz visible sobre fragmentos más pequeños que su onda de luz. Los materiales con este “índice refractivo negativo” único podrían producir revestimientos de invisibilidad al estilo Klingon, dijo Sharon Glotzer, un profesor en los departamentos de Ingeniería Química y de Ciencias e Ingeniería de Materiales, que también estuvo involucrado en los experimentos. Los profesores dicen que es probable que las cintas de nanopartículas retorcidas conduzcan a materiales súper chirales.
Para comenzar el experimento los investigadores dispersaron nano partículas de telurido de cadmio en una solución de base acuosa, y las observaron intermitentemente con microscopios poderosos. Después de unas 24 horas bajo la luz las nanopartículas se habían ensamblado en cintas chatas. Después de 72 horas se habían torcido y agrupado en el proceso. Pero cuando las nanopartículas se dejaron a oscuras se formaron cintas diferentes, largas y rectas.
“Descubrimos que si hacemos cintas chatas en la oscuridad y luego las iluminamos se observa un retorcimiento gradual, y que ese retorcimiento se incrementa a medida que ponemos más luz”, dijo Kotov. “Esto es muy inusitado de muchas maneras”.
La luz tuerce las cintas causando una repulsión más fuerte entre las nanopartículas que las componen.
La cinta retorcida es una forma nueva en la nanotecnología, dijo Kotov. Además de los materiales super chirales, Kotov piensa en aplicaciones inteligentes para la forma y la técnica de crearla. Sudhanshu Srivastava, un investigador post graduado en su laboratorio, trata ahora de hacer que las espirales roten.
“Está haciendo propulsores muy pequeños que se muevan a través del fluido, submarinos de nanoescala si quiere imaginarlos así”, señaló Kotov. “A menudo se ve este modelo de estructuras retorcidas en los órganos de movilidad de las bacterias y las células”.
Este efecto de torcedura descubierto recientemente también podría llevar a sistemas microelectromecánicos controlados por la luz. Y podría utilizarse en la litografía o la producción de micro procesadores.
Glotzer y Aaron Santos, un investigador de post doctorado en su laboratorio, llevaron a cabo los simulacros en computadora que ayudaron a que Kotov y su equipo entendieran mejor cómo se forman las cintas. Los simulacros mostraron que, bajo ciertas circunstancias, la combinación compleja de fuerzas entre las nanopartículas con forma de tetraedros podría ayudar a producir cintas exactamente del grosor observado en los experimentos. Un tetraedro es un poliedro tridimensional con la forma de una pirámide.
“El balance preciso de fuerzas que lleva al autoensamblaje de las cintas es muy revelador”, dijo Glotzer. “Podría usarse para estabilizar oras nanoestructuras hechas de partículas no esféricas. Todo depende de cómo las partículas quieren agruparse”.
Otros colaboradores incluyen a investigadores de la Universidad de Leeds, en el Reino Unido; la Universidad Nacional Chungju de Corea del Sur; el Laboratorio Nacional Argonne; la Universidad Nacional Pusan en Corea del Sur, y la Universidad Jiangnan de China.
El artículo tiene el título “Light-Controlled Self-Assembly of Semiconductor Nanoparticles into Twisted Ribbons”. La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación de Ciencia e Ingeniería de Corea del Sur, y el Departamento de Energía de Estados Unidos.
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