Nueva forma de vidrio a través del entrelazamiento molecular

10.01.2020 - Alemania

Físicos de la Universidad de Viena, en colaboración con el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, han descubierto un nuevo tipo de vidrio formado por moléculas largas y cíclicas. Los científicos demostraron con éxito que al hacer más móviles algunas partes de los anillos, éstos se enredan más fuertemente y el fluido molecular se cristaliza. La novela "vidrio topológico activo" se presenta en el último número de Nature Communications.

Los materiales de vidrio son omnipresentes en la vida cotidiana, desde los cristales de las ventanas hasta las tazas de expreso de porcelana. Incluso las botellas de plástico PET, hechas de largas moléculas poliméricas, se consideran una forma de vidrio. Todos estos ejemplos se producen por el rápido enfriamiento de un fundido de partículas, como la sílice en el caso de las ventanas o los polímeros en las botellas de plástico. Sus propiedades únicas, como la transparencia o la resistencia a la tracción, se deben a su estructura microscópica desordenada y apretada. Mientras están derretidas, las partículas pueden moverse fácilmente unas con otras o ser reacomodadas por fuerzas externas como en el soplado de vidrio. Sin embargo, cuando se enfría, cada partícula se enjaula con sus vecinas, lo que hace que el vidrio sea sólido y resistente a la deformación.

Hace unos veinticinco años, los científicos conjeturaron que aún podría existir una nueva forma de vidrio si las partículas constituyentes son moléculas largas, flexibles y, lo que es más importante, cíclicas. Tales "anillos" pueden enhebrarse entre sí, lo que significa que un anillo atraviesa el ojo de otro anillo, con lo que se limita el movimiento de cada uno. Si muchos anillos están enroscados, para que uno de ellos se aleje, otros anillos deben desenroscarse secuencialmente para liberarlo. Esto tarda mucho en suceder por las fluctuaciones térmicas aleatorias y por lo tanto la conjetura de la estructura desordenada se comporta efectivamente como un vidrio sólido. En contraste con la hipótesis, tal estado vítreo de los polímeros de anillo no se ha observado en los experimentos, posiblemente debido a la longitud limitada de los polímeros de anillo que es actualmente posible de sintetizar. En las simulaciones por ordenador, el cristal sólo podía ser inducido inmovilizando artificialmente una fracción de todos los anillos en el espacio. Entonces, naturalmente, los otros anillos enhebrados por los inmóviles no podían moverse. Aunque es atractivo, es poco probable que la inmovilización impuesta se logre en la práctica. Parecía que un verdadero "vidrio topológico", un vidrio formado por moléculas cíclicas fuertemente enredadas, sigue siendo escurridizo.

"Hemos tomado el enfoque opuesto a lo que se ha intentado hasta ahora para encontrar un vidrio topológico. En lugar de la inmovilización no física de los anillos, en nuestras simulaciones hicimos que los segmentos de los anillos fueran más móviles. Esto lo conseguimos obligando a que partes de los anillos fluctúen más fuertemente", explica Iurii Chubak, junto con Jan Smrek coautores de la Universidad de Viena. "Las fluctuaciones más fuertes que las térmicas pueden realizarse incorporando motores moleculares, moléculas que localmente ejercen fuerzas a expensas de la energía. Otra opción es la síntesis de anillos que contienen segmentos con una mayor absorción de la luz. Tales anillos impulsados activamente se enhebran y se enredan tan extensamente que prácticamente no pueden moverse uno al lado del otro. Notablemente, observamos el vidrio topológico en longitudes de anillo y fuerzas motrices accesibles experimentalmente", dice Jan Smrek, que llevó a cabo su trabajo en cooperación con el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz y con el apoyo del Programa Lise Meitner del Fondo Científico Austriaco FWF.

"Este vaso es microscópicamente muy distinto del material de la botella de la que típicamente bebe su bebida favorita. Quedan por descubrir las propiedades más detalladas del vidrio topológico activo. Sin embargo, ya es emocionante. No sólo desde el punto de vista de la física fundamental, sino también debido a las aplicaciones potenciales como la creación de un material fluido con vitrificación reversible al exponerse a la luz", añade el autor principal Christos Likos de la Facultad de Física.

Curiosamente, los mismos ingredientes físicos básicos que en el presente vaso topológico activo se encuentran también en los núcleos de las células eucarióticas vivas. En efecto, las fibras de ADN son polímeros largos e incrustables de alta densidad con conducción activa debido a varios motores moleculares. "Somos conscientes de las similitudes de nuestro sistema simulado con los núcleos de las células vivas. Sin embargo, si el ADN en condiciones de vida podría estar en el estado del vaso topológico activo, sigue siendo una cuestión abierta", concluye Jan Smrek.

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