Los investigadores han desarrollado un material ligero pero resistente combinando dos ingredientes inesperados: ADN y vidrio.

Trabajar en en la nanoescala proporciona a los científicos una comprensión profunda y precisión en la fabricación y el análisis de materiales. En la producción a gran escala, e incluso en entornos naturales, muchos materiales son susceptibles a defectos y contaminantes que podrían comprometer su compleja arquitectura. Estas vulnerabilidades pueden provocar que se fracturen bajo presión. Esto es particularmente evidente en la mayoría de los tipos de vidrio, lo que le otorga la reputación de ser un material frágil.

Científicos de la Universidad de Columbia, la Universidad de Connecticut y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han fabricado con éxito una forma pura de vidrio y han recubierto piezas especializadas con él. ADN con esto para crear un material que no sólo era más fuerte que el acero, sino también increíblemente liviano. Los materiales con ambas cualidades son raros y una mayor investigación podría conducir a nuevas aplicaciones en ingeniería y defensa. Los resultados fueron publicados en la revista. Estetodos A.informes ciencias fisicas.

ADN: los componentes básicos de la vida y mucho más

En los seres vivos, desoxirribonucleico. ácido, más comúnmente conocido como ADN, contiene información biológica que indica a las células de los organismos cómo formarse, crecer y reproducirse. El material del que está hecho el ADN se conoce como polímero, una clase de materiales fuertes y elásticos que incluye el plástico y el caucho. Su resistencia y simplicidad han intrigado a los científicos de materiales e inspirado muchos experimentos interesantes. Oleg Gang, científico de materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab, y profesor de Universidad de Colombia, lleva años explotando las propiedades únicas del ADN para la síntesis de materiales, lo que ha dado lugar a numerosos descubrimientos. Esta nueva tecnología ha inspirado una variedad de aplicaciones innovadoras, desde la administración de medicamentos hasta la electrónica.

Oleg Gang, en la foto de atrás, y Aaron Michelson utilizan los recursos especializados de CFN para medir la sorprendente resistencia de esta nueva estructura material. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Gang había trabajado previamente con el autor principal del artículo, Aaron Michelson, investigador postdoctoral en Brookhaven, en un experimento que utiliza estructuras de ADN para construir un marco sólido para nuevos materiales. Las moléculas de ADN se comportan de una manera interesante. Los nucleótidos individuales, las unidades básicas de los ácidos nucleicos como el ADN y ARN, dictan la conexión entre secuencias complementarias. La forma precisa en que se unen entre sí permite a los científicos desarrollar métodos para doblar el ADN en formas específicas llamadas «origami», que llevan el nombre del arte japonés de doblar papel. Estas formas de ADN son bloques de construcción a nanoescala que se pueden programar mediante enlaces de ADN direccionables para «autoensamblar.” Esto significa que se pueden formar espontáneamente estructuras bien definidas con un patrón repetitivo a partir de estos bloques de ADN de origami.

Luego, estos bloques se unen entre sí para formar una red más grande, una estructura con un patrón repetido. Este proceso permite a los científicos construir nanomateriales ordenados en 3D a partir de ADN e integrar nanopartículas y proteínas inorgánicas, como han demostrado estudios anteriores del grupo. Habiendo adquirido comprensión y control de este proceso de ensamblaje único, Gang, Michelson y su equipo pudieron explorar lo que se podría lograr cuando se utilizara este andamio biomolecular para crear estructuras de sílice que preservaran la arquitectura del andamio.

«Nos centramos en utilizar el ADN como un nanomaterial programable para formar un andamio 3D complejo», dijo Michelson, «y queríamos explorar cómo este andamio se comportaría mecánicamente cuando se transfiriera a materiales sólidos más estables. Investigamos la posibilidad de fundir este andamio auto- Material de ensamblaje en sílice, principal ingrediente del vidrio, y su potencial.

El trabajo de Michelson en esta área le valió el premio Robert Simon Memorial de la Universidad de Columbia. Su investigación sobre las estructuras del ADN ha explorado una variedad de características y aplicaciones, desde propiedades mecánicas hasta la superconductividad. Al igual que las estructuras sobre las que se construyó, el trabajo de Michelson continúa creciendo y desarrollándose a medida que incorpora nuevas capas de información de estos apasionantes experimentos.

Una mirada microscópica a cómo estas hebras de ADN forman formas incrustadas dentro de estructuras de red más grandes recubiertas de sílice. CFN, JEOL-1400 TEM y Hitachi-4800 SEM. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

La siguiente parte del proceso de fabricación se inspiró en la biomineralización, la forma en que ciertos tejidos vivos producen minerales para volverse más duros, como los huesos.

«Estábamos muy interesados ​​en cómo podemos mejorar las propiedades mecánicas de materiales ordinarios, como el vidrio, mientras los estructuramos a nanoescala», dijo Gang.

Los científicos utilizaron una capa muy fina de vidrio de sílice, de sólo unos 5 nm de espesor, o unos pocos cientos de átomos, para cubrir los marcos de ADN, dejando los espacios interiores abiertos y garantizando que el material resultante sea ultraligero. A esta pequeña escala, el vidrio es inmune a los defectos y proporciona una resistencia que no se encuentra en piezas grandes de vidrio donde se desarrollan grietas que hacen que se rompa. Sin embargo, el equipo quería saber exactamente qué tan fuerte era este material, lo que, a esta escala, requería equipo muy especializado.

Fuerza bajo presión

Hay formas sencillas de comprobar si algo es sólido. Hurgar, empujar e inclinarse sobre las superficies y observar su comportamiento a menudo puede proporcionar información útil. ¿Se doblan, chirrían, se deforman o se aprietan bajo presión? Esta es una forma sencilla pero eficaz de comprender la fuerza de un objeto, incluso sin herramientas para medirla con precisión. Pero, ¿cómo se puede presionar un objeto que es demasiado pequeño para verlo?

«Para medir la fuerza de estas pequeñas estructuras, utilizamos una técnica llamada nanoindentación», explicó Michelson. “La nanoindentación es una prueba mecánica a muy pequeña escala que se realiza utilizando un instrumento preciso capaz de aplicar y medir fuerzas resistivas. Nuestras muestras tienen sólo unas pocas micras de espesor, aproximadamente una milésima de milímetro, por lo que es imposible medir estos materiales por medios convencionales. Usando juntos un microscopio electrónico y nanoindentación, podemos medir simultáneamente el comportamiento mecánico y observar el proceso de compresión.

Un gráfico que compara la nanored de este experimento con la resistencia relativa de varios materiales. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

A medida que el pequeño dispositivo comprime o indenta la muestra, los investigadores pueden tomar medidas y observar las propiedades mecánicas. Luego pueden ver qué sucede con el material cuando se libera la compresión y la muestra vuelve a su estado original. Si se forman grietas o la estructura falla en algún punto, se pueden registrar estos valiosos datos.

Cuando se probó, se descubrió que la red de ADN recubierta de vidrio era cuatro veces más fuerte que el acero. Lo que fue aún más interesante fue que su densidad era aproximadamente cinco veces menor. Aunque existen materiales que son resistentes y se consideran bastante ligeros, nunca se había conseguido tanto.

Sin embargo, esta técnica no siempre estuvo disponible en el CFN.

«Colaboramos con Seok-Woo Lee, profesor asociado de la Universidad de Connecticut, que tiene experiencia en las propiedades mecánicas de los materiales», dijo Gang. “Era un usuario de CFN que aprovechó algunas de nuestras capacidades y recursos, como los microscopios electrónicos, y así es como desarrollamos una relación con él. Inicialmente no teníamos la capacidad de nanoindentación, pero él nos guió hacia las herramientas adecuadas y nos encaminó por el camino correcto. Este es otro ejemplo de cómo los científicos del mundo académico y los laboratorios nacionales se benefician de la colaboración. Ahora contamos con estas herramientas y la experiencia para llevar estudios como este aún más lejos.

Construye algo nuevo y emocionante

Même s’il reste encore beaucoup de travail à faire avant de passer à l’échelle et de réfléchir à la myriade d’applications d’un tel matériau, les scientifiques des matériaux ont encore des raisons d’être enthousiasmés par ce que cela signifie para el futuro. El equipo planea estudiar otros materiales, como la cerámica de carburo, que es incluso más resistente que el vidrio, para ver cómo funcionan y se comportan. Esto podría dar lugar a materiales ligeros aún más resistentes en el futuro.

Aunque su carrera aún se encuentra en sus primeras etapas, Michelson ya ha logrado mucho y está ansioso por pasar a las siguientes fases de su investigación.

«Es una maravillosa oportunidad ser un postdoctorado en Brookhaven Lab, especialmente después de ser estudiante en la Universidad de Columbia y trabajar en CFN con bastante frecuencia», recuerda Michelson. “Eso es lo que me llevó a realizar un posdoctorado allí. Las capacidades que tenemos en CFN, particularmente en imágenes, realmente han ayudado a impulsar mi trabajo.

Referencia: “Sílice de nanoarquitectura liviana y de alta resistencia” por Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee y Oleg Gang, 27 de junio de 2023. Informes celulares Ciencia física.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475