Profundizar en los nanomateriales

Éste ha sido un reto complejo que los investigadores de Columbia Engineering y del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) han superado por primera vez, al obtener imágenes del interior de un nuevo material autoensamblado a partir de nanopartículas con una resolución de siete nanómetros, aproximadamente 1/100.000 del ancho de un cabello humano. En un nuevo artículo publicado el 6 de abril de 2022 en Science, los investigadores muestran el poder de su nueva técnica de imagen de rayos X de alta resolución para revelar la estructura interna del nanomaterial.

El equipo diseñó el nuevo nanomaterial utilizando el ADN como material de construcción programable, lo que les permite crear nuevos materiales de ingeniería para la catálisis, la óptica y los entornos extremos. Durante el proceso de creación de estos materiales, los diferentes bloques de construcción hechos de ADN y nanopartículas se colocan en su sitio por sí solos basándose en un "plano" definido -llamado plantilla- diseñado por los investigadores. Sin embargo, para obtener imágenes y explotar estas diminutas estructuras con rayos X, necesitaban convertirlas en materiales inorgánicos que pudieran soportar los rayos X y al mismo tiempo proporcionar una funcionalidad útil. Por primera vez, los investigadores pudieron ver los detalles, incluidas las imperfecciones dentro de sus nanomateriales recién dispuestos.

"Aunque nuestro ensamblaje de nanomateriales basado en el ADN ofrece un enorme nivel de control para ajustar las propiedades que deseamos, no forman estructuras perfectas que se correspondan totalmente con el plano. Por eso, sin imágenes 3D detalladas con resolución de una sola partícula, es imposible entender cómo diseñar sistemas autoensamblados eficaces, cómo afinar el proceso de ensamblaje y hasta qué punto el rendimiento de un material se ve afectado por las imperfecciones", afirma el autor correspondiente, Oleg Gang, profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de los materiales en Columbia Engineering, y científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven.

Creación de nuevas nanoestructuras en los laboratorios de Columbia y Brookhaven

Como instalación usuaria de la Oficina de Ciencia del DOE, el CFN ofrece una amplia gama de herramientas para crear e investigar nuevos nanomateriales. Fue en los laboratorios de la CFN y en Columbia Engineering donde Gang y su equipo construyeron y estudiaron por primera vez nuevas nanoestructuras. Utilizando tanto el ensamblaje basado en el ADN como una nueva herramienta de fabricación a nanoescala, como la creación de plantillas precisas con materiales inorgánicos que pueden recubrir el ADN y las nanopartículas, los investigadores pudieron demostrar un nuevo tipo de arquitectura compleja en 3D.

"Cuando me incorporé al equipo de investigación hace cinco años, habíamos estudiado muy bien la superficie de nuestros ensamblajes, pero la superficie es sólo la piel. Si no puedes ir más allá, nunca verás que hay un sistema sanguíneo o huesos debajo. Dado que el ensamblaje dentro de nuestros materiales impulsa su rendimiento, queríamos profundizar para averiguar cómo funcionaba", explica Aaron Noam Michelson, primer autor del estudio, que fue estudiante de doctorado con Gang y ahora es postdoctoral en el CFN.

Y el equipo profundizó, colaborando con los investigadores de la línea de rayos X de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), otra instalación de la Oficina de Ciencia del DOE situada en el laboratorio de Brookhaven. La NSLS-II permite a los investigadores estudiar materiales con una resolución a nanoescala y una sensibilidad exquisita, proporcionando una luz ultrabrillante que va desde los infrarrojos hasta los rayos X duros.

"En el NSLS-II tenemos muchas herramientas que se pueden utilizar para aprender más sobre un material dependiendo de lo que te interese. Lo que hizo que la HXN fuera interesante para Oleg y su trabajo fue que se pueden ver las relaciones espaciales reales entre los objetos dentro de la estructura a escala nanométrica. Sin embargo, cuando hablamos por primera vez de esta investigación, "ver dentro" de estas diminutas estructuras ya estaba en el límite de lo que la línea de luz podía hacer", dijo Hanfei Yan, también autor correspondiente del estudio y científico de la línea de luz en HXN.

Superar los obstáculos

Para superar este reto, los investigadores analizaron los diversos obstáculos que debían superar. En el CFN y en Columbia, el equipo tuvo que averiguar cómo construir las estructuras con la organización deseada y cómo convertirlas en una réplica inorgánica que pudiera soportar los potentes haces de rayos X, mientras que en el NSLS-II los investigadores tuvieron que poner a punto la línea de luz mejorando la resolución, la adquisición de datos y muchos otros detalles técnicos.

"Creo que la mejor manera de describir nuestro progreso es en términos de rendimiento. La primera vez que intentamos tomar datos en HXN, tardamos tres días y obtuvimos parte de un conjunto de datos. La segunda vez que lo hicimos, tardamos dos días y obtuvimos la mayor parte de un conjunto de datos, pero nuestra muestra se destruyó en el proceso. La tercera vez nos llevó algo más de 24 horas, y obtuvimos un conjunto de datos completo. Cada uno de estos pasos estuvo separado por unos seis meses", dijo Michelson.

Yan añadió: "Ahora podemos terminarlo en un solo día. La técnica está lo suficientemente madura como para que también la ofrezcamos a otros usuarios que quieran utilizar nuestra línea de luz para investigar su muestra. Ver dentro de las muestras a esta escala es interesante para campos como la microelectrónica y la investigación de baterías".

Aprovechando la línea de luz de Brookhaven

El equipo aprovechó las capacidades de la línea de luz de dos maneras. No sólo midieron el contraste de fase de los rayos X que atravesaban las muestras, sino que también recogieron la fluorescencia de los rayos X -la luz emitida- de la muestra. Al medir el contraste de fase, los investigadores pudieron distinguir mejor el primer plano del fondo de su muestra.

"Medir los datos era sólo la mitad de la batalla; ahora necesitábamos traducir los datos en información significativa sobre el orden y la imperfección de los sistemas autoensamblados. Queríamos entender qué tipo de defectos pueden producirse en estos sistemas y cuál es su origen. Hasta ese momento, esta información sólo estaba disponible a través del cálculo. Ahora podemos comprobarlo experimentalmente, lo cual es muy emocionante y, literalmente, nos abre los ojos para el futuro desarrollo de nanomateriales de diseño complejo", afirma Gang.

Nuevas herramientas de software para gestionar los datos

Juntos, los investigadores desarrollaron nuevas herramientas de software para ayudar a desentrañar la gran cantidad de datos en trozos que pudieran ser procesados y comprendidos. Uno de los principales retos era poder validar la resolución que conseguían. El proceso iterativo que finalmente condujo a la nueva e innovadora resolución se prolongó durante varios meses antes de que el equipo verificara la resolución mediante análisis estándar y enfoques de aprendizaje automático.

"Me ha costado todo el doctorado llegar hasta aquí, pero personalmente me siento muy gratificado por haber formado parte de esta colaboración. He podido participar en cada paso del camino, desde la fabricación de las muestras hasta el funcionamiento de la línea de luz. Todas las nuevas habilidades que he aprendido en este viaje me serán útiles para todo lo que me espera", dijo Michelson.

Próximos pasos

Aunque el equipo ha alcanzado este impresionante hito, está lejos de haber terminado. Ya tienen la vista puesta en los próximos pasos para seguir ampliando los límites de lo posible.

"Ahora que hemos pasado por el proceso de análisis de datos, planeamos hacer esta parte más fácil y rápida para futuros proyectos, especialmente cuando nuevas mejoras en la línea de luz nos permitan recoger datos aún más rápido". El análisis es actualmente el cuello de botella cuando se realizan trabajos de tomografía de alta resolución en HXN", dijo Yan.

Gang añadió: "Además de seguir impulsando el rendimiento de la línea de luz, también tenemos previsto utilizar esta nueva técnica para profundizar en las relaciones entre los defectos y las propiedades de nuestros materiales. Tenemos previsto diseñar nanomateriales más complejos mediante el autoensamblaje del ADN que puedan estudiarse con la HXN. De este modo podremos ver cómo se construye la estructura internamente y conectarla con el proceso de ensamblaje. Estamos desarrollando una nueva plataforma de fabricación ascendente que no podríamos visualizar sin esta nueva capacidad".

Al entender esta conexión entre las propiedades del material y el proceso de ensamblaje, los investigadores esperan desvelar el camino para afinar estos materiales para futuras aplicaciones en nanomateriales diseñados para baterías y catálisis, para la manipulación de la luz y para las respuestas mecánicas deseadas.