‘Nanopiezas de Lego’ autoensambladas crean materiales fotónicos

En un laboratorio a las afueras de Barcelona, pequeñas partículas se organizan ellas mismas en superestructuras tridimensionales ordenadas. Son como pequeñas piezas de Lego que se encajan una a una para crear un nuevo material. Se trata de partículas híbridas orgánico-inorgánicas altamente porosas cuyo tamaño y forma se puede controlar para modificar las propiedades del material resultante.

Los procesos de autoensamblaje son frecuentes en química, ciencia de materiales o biología, pero ahora emergen como un método eficiente para obtener un abanico de materiales con estructuras uniformes en la nanoescala. Numerosos estudios han descrito ya la síntesis de partículas de polímeros orgánicos o de base metálica que se autoensamblan de forma espontánea en superestructuras 3D ordenadas.

Ahora investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) (España) presentan sus resultados en relación con partículas metalorgánicas híbridas y, con ello, añaden una nueva familia a la lista de compuestos que pueden autoensamblarse: las redes metalorgánicas porosas (MOF, por sus siglas en inglés: metal-organic frameworks).

Un ejemplo ilustrativo son las bolas de cañón: pueden apilarse fácilmente gracias a su forma, encajando las unas con las otras independientemente de su orientación. Los ladrillos, en cambio, tienen que estar en los lugares correctos y orientados como es debido para crear una pila ordenada. Cuando este ejercicio se realiza en la nanoescala, los problemas a resolver son similares. Una condición para el 'efecto Lego' es que todas las partículas sintetizadas tengan el mismo tamaño (monodispersión) y la misma forma, para que cuando encajen las unas con las otras, la forma resultante esté bien ordenada y empaquetada y sea funcional.

Estructura de uno de los nuevos materiales fotónicos, que se podrán utilizar, por ejemplo, en sensores. (Foto: Dámaso Torres/ICN2)

Hasta la fecha esto jamás se había conseguido con compuestos cristalinos moleculares como los MOF, a pesar de que pueden compartir geometrías poliédricas similares a las de sus equivalentes metálicos. En el nuevo trabajo, publicado esta semana en Nature Chemistry, investigadores liderados por el profesor ICREA Daniel Maspoch del ICN2 y el profesor Cefe López del ICMM, con Civan Avci (también del ICN2) como primer autor, presentan la síntesis exitosa de los MOF conocidos como ZIF-8 y UiO-66 con las condiciones adecuadas de tamaño y forma para que puedan autoensamblarse.

Las superestructuras 3D resultantes, fabricadas con miles de millones de partículas idénticas ordenadas en cristales que pueden llegar a medir unos milímetros, presentan características típicas de los cristales fotónicos. Estos cristales son materiales novedosos que permiten controlar y manipular la luz. Se trata de superestructuras que dispersan la luz de forma que se obtienen colores sin necesidad de pigmentos o tintes, los llamados colores estructurales.

Además, controlando el tamaño y la forma de las partículas con las que se sintetizan los cristales, es posible tunear la banda prohibida fotónica del cristal para modificar su color.

Al estar formadas por los MOF, estas nuevas superestructuras también poseen una gran porosidad, una propiedad que puede aprovecharse para diseñar sensores: distintas substancias absorbidas en los poros harán que la luz se refracte en diferentes colores. Este efecto se puede afinar de manera que un determinado color indique la presencia de una determinada substancia.

La capacidad de crear superestructuras 3D hechas de piezas porosas ofrece otros beneficios como la alineación de poros a gran escala, que en un futuro próximo puede permitir el desarrollo de membranas mejoradas para la absorción y catálisis de gases.

Este trabajo es el resultado de una colaboración entre centros de investigación en España y Holanda. Liderado por el ICN2 y el ICMM, el conocimiento teórico y práctico de investigadores del Debye Institute for Nanomaterials Science de la Utrecht University y del Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) también ha sido importante para obtener los resultados. Tanto el ICN2 como el ICMAB son centros vinculados a la Universidad Autónoma de Barcelona. (Fuente: ICN2)