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Autoensamblaje

Autoensamblaje de complejos de lípidos (a), proteínas (b) y (c) SDS - ciclodextrina . El SDS es un surfactante con una cola de hidrocarburo (amarilla) y una cabeza de SO4 ( azul y roja), mientras que la ciclodextrina es un anillo de sacárido (átomos de C en verde y átomos de O en rojo).
Imagen de una nanopartícula de óxido de hierro obtenida mediante microscopía electrónica de transmisión . Los puntos dispuestos de forma regular dentro del borde discontinuo son columnas de átomos de Fe. El recuadro de la izquierda muestra el patrón de difracción de electrones correspondiente . Barra de escala: 10 nm. [1]
Las nanopartículas de óxido de hierro se pueden dispersar en un disolvente orgánico ( tolueno ). Tras su evaporación, pueden autoensamblarse (paneles izquierdo y derecho) en mesocristales de tamaño micrométrico (centro) o multicapas (derecha). Cada punto de la imagen de la izquierda es un cristal "atómico" tradicional que se muestra en la imagen de arriba. Barras de escala: 100 nm (izquierda), 25 μm (centro), 50 nm (derecha). [1]

El autoensamblaje es un proceso en el que un sistema desordenado de componentes preexistentes forma una estructura o patrón organizado como consecuencia de interacciones locales específicas entre los propios componentes, sin dirección externa. Cuando los componentes constitutivos son moléculas, el proceso se denomina autoensamblaje molecular .

Imágenes AFM del autoensamblaje de moléculas de ácido 2-aminotereftálico en calcita orientada (104) . [3]

El autoensamblaje se puede clasificar como estático o dinámico. En el autoensamblaje estático , el estado ordenado se forma a medida que un sistema se acerca al equilibrio , lo que reduce su energía libre . Sin embargo, en el autoensamblaje dinámico , los científicos de las disciplinas asociadas no suelen describir como "autoensamblados" los patrones de componentes preexistentes organizados por interacciones locales específicas. Estas estructuras se describen mejor como " autoorganizadas ", aunque estos términos se suelen utilizar indistintamente.

En química y ciencia de los materiales

La estructura del ADN de la izquierda ( esquema mostrado) se autoensamblará en la estructura visualizada mediante microscopía de fuerza atómica a la derecha.

El autoensamblaje en el sentido clásico puede definirse como la organización espontánea y reversible de unidades moleculares en estructuras ordenadas mediante interacciones no covalentes . La primera propiedad de un sistema autoensamblado que sugiere esta definición es la espontaneidad del proceso de autoensamblaje: las interacciones responsables de la formación del sistema autoensamblado actúan en un nivel estrictamente local; en otras palabras, la nanoestructura se construye a sí misma .

Aunque el autoensamblaje ocurre típicamente entre especies que interactúan débilmente, esta organización puede transferirse a sistemas covalentes fuertemente unidos . Un ejemplo de esto puede observarse en el autoensamblaje de polioxometalatos . La evidencia sugiere que tales moléculas se ensamblan a través de un mecanismo de tipo fase densa por el cual los iones oxometalato pequeños primero se ensamblan de forma no covalente en solución, seguido de una reacción de condensación que une covalentemente las unidades ensambladas. [4] Este proceso puede ser facilitado por la introducción de agentes de plantilla para controlar las especies formadas. [5] De esta manera, las moléculas covalentes altamente organizadas pueden formarse de una manera específica.

Una nanoestructura autoensamblada es un objeto que aparece como resultado del ordenamiento y la agregación de objetos individuales a escala nanométrica guiados por algún principio físico .

Un ejemplo particularmente contraintuitivo de un principio físico que puede impulsar el autoensamblaje es la maximización de la entropía . Aunque la entropía se asocia convencionalmente con el desorden , en condiciones adecuadas [6] la entropía puede impulsar a los objetos a escala nanométrica a autoensamblarse en estructuras objetivo de una manera controlable. [7]

Otra clase importante de autoensamblaje es el ensamblaje dirigido por campo. Un ejemplo de esto es el fenómeno del atrapamiento electrostático. En este caso, se aplica un campo eléctrico entre dos nanoelectrodos metálicos. Las partículas presentes en el entorno se polarizan por el campo eléctrico aplicado. Debido a la interacción dipolar con el gradiente del campo eléctrico, las partículas son atraídas hacia el espacio entre los electrodos. [8] También se han reportado generalizaciones de este tipo de enfoque que involucran diferentes tipos de campos, por ejemplo, utilizando campos magnéticos, utilizando interacciones capilares para partículas atrapadas en interfaces, interacciones elásticas para partículas suspendidas en cristales líquidos.

Independientemente del mecanismo que impulse el autoensamblaje, las personas adoptan enfoques de autoensamblaje para la síntesis de materiales a fin de evitar el problema de tener que construir los materiales bloque por bloque. Evitar los enfoques de uno por uno es importante porque la cantidad de tiempo necesaria para colocar los bloques en una estructura de destino es prohibitivamente difícil para estructuras que tienen un tamaño macroscópico.

Una vez que los materiales de tamaño macroscópico se pueden autoensamblar, estos materiales pueden encontrar uso en muchas aplicaciones. Por ejemplo, las nanoestructuras, como los nanoespacios de vacío, se utilizan para almacenar energía [9] y convertir energía nuclear. [10] Los materiales autoensamblables sintonizables son candidatos prometedores para electrodos de gran superficie en baterías y células fotovoltaicas orgánicas, así como para sensores y filtros microfluídicos. [11]

Rasgos distintivos

En este punto, se podría argumentar que cualquier reacción química que impulse a los átomos y moléculas a ensamblarse en estructuras más grandes, como la precipitación , podría caer en la categoría de autoensamblaje. Sin embargo, hay al menos tres características distintivas que hacen del autoensamblaje un concepto distinto.

Orden

En primer lugar, la estructura autoensamblada debe tener un orden superior al de los componentes aislados, ya sea una forma o una tarea particular que la entidad autoensamblada pueda realizar. Esto generalmente no es así en las reacciones químicas , donde un estado ordenado puede avanzar hacia un estado desordenado dependiendo de parámetros termodinámicos.

Interacciones

El segundo aspecto importante del autoensamblaje es el papel predominante de las interacciones débiles (por ejemplo, las de Van der Waals , las capilares , los enlaces de hidrógeno o las fuerzas entrópicas ) en comparación con los enlaces covalentes, iónicos o metálicos más "tradicionales" . Estas interacciones débiles son importantes en la síntesis de materiales por dos razones.

En primer lugar, las interacciones débiles ocupan un lugar destacado en los materiales, especialmente en los sistemas biológicos. Por ejemplo, determinan las propiedades físicas de los líquidos, la solubilidad de los sólidos y la organización de las moléculas en las membranas biológicas. [12]

En segundo lugar, además de la fuerza de las interacciones, las interacciones con distintos grados de especificidad pueden controlar el autoensamblaje. El autoensamblaje que está mediado por interacciones de apareamiento de ADN constituye las interacciones de mayor especificidad que se han utilizado para impulsar el autoensamblaje. [13] En el otro extremo, las interacciones menos específicas son posiblemente las proporcionadas por fuerzas emergentes que surgen de la maximización de la entropía . [6]

Bloques de construcción

La tercera característica distintiva del autoensamblaje es que los bloques de construcción no son solo átomos y moléculas, sino que abarcan una amplia gama de estructuras nano y mesoscópicas , con diferentes composiciones químicas, funcionalidades [14] y formas. [15]La investigación sobre las posibles formas tridimensionales de las micritas autoensamblables examina los sólidos platónicos (poliédricos regulares). El término "micrita" fue creado por DARPA para referirse a microrobots de tamaño submilimétrico , cuyas habilidades de autoorganización pueden compararse con las del moho mucilaginoso . [16] [17] Ejemplos recientes de nuevos bloques de construcción incluyen poliedros y partículas irregulares . [14] Los ejemplos también incluyen micropartículas con geometrías complejas, como hemisféricas, [18] dímeras, [19] discos, [20] varillas, moléculas, así como multímeros. Estos bloques de construcción a nanoescala pueden a su vez sintetizarse a través de rutas químicas convencionales o por otras estrategias de autoensamblaje como fuerzas entrópicas direccionales . Más recientemente, han aparecido enfoques de diseño inverso donde es posible fijar un comportamiento autoensamblado objetivo y determinar un bloque de construcción apropiado que realizará ese comportamiento. [7]

Termodinámica y cinética

El autoensamblaje en sistemas microscópicos generalmente comienza con la difusión, seguida de la nucleación de las semillas, el crecimiento posterior de las semillas y termina en la maduración de Ostwald . La energía libre impulsora termodinámica puede ser entálpica o entrópica o ambas. [6] En el caso entálpico o entrópico, el autoensamblaje procede a través de la formación y ruptura de enlaces, [21] posiblemente con formas no tradicionales de mediación. La cinética del proceso de autoensamblaje generalmente está relacionada con la difusión , para la cual la tasa de absorción/adsorción a menudo sigue un modelo de adsorción de Langmuir que en la concentración controlada por difusión (solución relativamente diluida) puede estimarse mediante las leyes de difusión de Fick . La tasa de desorción está determinada por la fuerza de unión de las moléculas/átomos de la superficie con una barrera de energía de activación térmica . La tasa de crecimiento es la competencia entre estos dos procesos.

Ejemplos

Ejemplos importantes de autoensamblaje en la ciencia de los materiales incluyen la formación de cristales moleculares , coloides , bicapas lipídicas , polímeros separados por fases y monocapas autoensambladas . [22] [23] El plegamiento de cadenas polipeptídicas en proteínas y el plegamiento de ácidos nucleicos en sus formas funcionales son ejemplos de estructuras biológicas autoensambladas. Recientemente, la estructura macroporosa tridimensional se preparó mediante autoensamblaje de derivado de difenilalanina en condiciones criogénicas, el material obtenido puede encontrar aplicación en el campo de la medicina regenerativa o el sistema de administración de fármacos. [24] P. Chen et al. demostraron un método de autoensamblaje a microescala utilizando la interfaz aire-líquido establecida por la onda de Faraday como plantilla. Este método de autoensamblaje se puede utilizar para la generación de diversos conjuntos de patrones simétricos y periódicos a partir de materiales a microescala como hidrogeles , células y esferoides celulares. [25] Yasuga et al. demostraron cómo la energía interfacial del fluido impulsa la aparición de estructuras periódicas tridimensionales en andamios de micropilares. [26] Myllymäki et al. demostraron la formación de micelas, que experimentan un cambio en la morfología a fibras y eventualmente a esferas, todo controlado por el cambio de solvente. [27]

Propiedades

El autoensamblaje amplía el alcance de la química con el objetivo de sintetizar productos con propiedades de orden y funcionalidad, extendiendo los enlaces químicos a interacciones débiles y abarcando el autoensamblaje de bloques de construcción a escala nanométrica en todas las escalas de longitud. [28] En la síntesis y polimerización covalente, el científico une átomos entre sí en cualquier conformación deseada, que no necesariamente tiene que ser la posición energéticamente más favorecida; las moléculas autoensamblables, por otro lado, adoptan una estructura en el mínimo termodinámico, encontrando la mejor combinación de interacciones entre subunidades pero sin formar enlaces covalentes entre ellas. En las estructuras autoensamblables, el científico debe predecir este mínimo, no simplemente colocar los átomos en la ubicación deseada.

Otra característica común a casi todos los sistemas autoensamblados es su estabilidad termodinámica . Para que el autoensamblaje se lleve a cabo sin la intervención de fuerzas externas, el proceso debe conducir a una energía libre de Gibbs más baja , por lo que las estructuras autoensambladas son termodinámicamente más estables que los componentes individuales sin ensamblar. Una consecuencia directa es la tendencia general de las estructuras autoensambladas a estar relativamente libres de defectos. Un ejemplo es la formación de superredes bidimensionales compuestas por una disposición ordenada de esferas de polimetilmetacrilato (PMMA) de tamaño micrométrico , a partir de una solución que contiene las microesferas, en la que se permite que el disolvente se evapore lentamente en condiciones adecuadas. En este caso, la fuerza impulsora es la interacción capilar, que se origina a partir de la deformación de la superficie de un líquido causada por la presencia de partículas flotantes o sumergidas. [29]

Estas dos propiedades –interacciones débiles y estabilidad termodinámica– pueden recordarse para racionalizar otra propiedad que se encuentra a menudo en los sistemas autoensamblados: la sensibilidad a las perturbaciones ejercidas por el entorno externo. Se trata de pequeñas fluctuaciones que alteran las variables termodinámicas y que pueden provocar cambios marcados en la estructura e incluso comprometerla, ya sea durante o después del autoensamblaje. La naturaleza débil de las interacciones es responsable de la flexibilidad de la arquitectura y permite reordenamientos de la estructura en la dirección determinada por la termodinámica. Si las fluctuaciones hacen que las variables termodinámicas vuelvan a la condición inicial, es probable que la estructura vuelva a su configuración inicial. Esto nos lleva a identificar una propiedad más del autoensamblaje, que generalmente no se observa en materiales sintetizados por otras técnicas: la reversibilidad .

El autoensamblaje es un proceso que se ve fácilmente influenciado por parámetros externos. Esta característica puede hacer que la síntesis sea bastante compleja debido a la necesidad de controlar muchos parámetros libres. Sin embargo, el autoensamblaje tiene la ventaja de que se puede obtener una gran variedad de formas y funciones en muchas escalas de longitud. [30]

La condición fundamental necesaria para que los bloques de construcción a escala nanométrica se autoensamblen en una estructura ordenada es la presencia simultánea de fuerzas repulsivas de largo alcance y fuerzas atractivas de corto alcance. [31]

Al elegir precursores con propiedades fisicoquímicas adecuadas, es posible ejercer un control fino sobre los procesos de formación que producen estructuras complejas. Claramente, la herramienta más importante a la hora de diseñar una estrategia de síntesis para un material, es el conocimiento de la química de las unidades de construcción. Por ejemplo, se demostró que era posible utilizar copolímeros dibloque con diferentes reactividades de bloque para incrustar selectivamente nanopartículas de maghemita y generar materiales periódicos con uso potencial como guías de onda . [32]

En 2008 se propuso que todo proceso de autoensamblaje presenta un coensamblaje, lo que hace que el término anterior sea inapropiado. Esta tesis se basa en el concepto de ordenamiento mutuo del sistema de autoensamblaje y su entorno. [33]

A escala macroscópica

Los ejemplos más comunes de autoensamblaje a escala macroscópica se pueden ver en las interfaces entre gases y líquidos, donde las moléculas pueden confinarse a escala nanométrica en dirección vertical y extenderse a grandes distancias lateralmente. Los ejemplos de autoensamblaje en interfaces gas-líquido incluyen figuras de aliento , monocapas autoensambladas , cúmulos de gotas y películas de Langmuir-Blodgett , mientras que la cristalización de bigotes de fulereno es un ejemplo de autoensamblaje macroscópico entre dos líquidos. [34] [35] Otro ejemplo notable de autoensamblaje macroscópico es la formación de cuasicristales delgados en una interfaz aire-líquido, que pueden construirse no solo con unidades moleculares inorgánicas, sino también orgánicas. [36] [37] Además, se informó que el aminoácido L-DOPA protegido con Fmoc (Fmoc-DOPA) [38] [39] puede presentar un modelo de polímero supramolecular mínimo, mostrando una transición estructural espontánea desde esferas metaestables a ensamblajes fibrilares a material tipo gel y finalmente a cristales individuales. [40]

Los procesos de autoensamblaje también se pueden observar en sistemas de bloques de construcción macroscópicos. Estos bloques de construcción pueden ser propulsados ​​externamente [41] o autopropulsados. [42] Desde la década de 1950, los científicos han construido sistemas de autoensamblaje que presentan componentes de tamaño centimétrico que van desde piezas mecánicas pasivas hasta robots móviles. [43] Para sistemas a esta escala, el diseño de los componentes se puede controlar con precisión. Para algunos sistemas, las preferencias de interacción de los componentes son programables. Los procesos de autoensamblaje se pueden monitorear y analizar fácilmente por los propios componentes o por observadores externos. [44]

En abril de 2014, un plástico impreso en 3D se combinó con un "material inteligente" que se autoensamblaba en agua, [45] dando como resultado la " impresión 4D ". [46]

Conceptos consistentes de autoorganización y autoensamblaje

La gente usa con frecuencia los términos " autoorganización " y "autoensamblaje" de manera intercambiable. Sin embargo, a medida que la ciencia de sistemas complejos se vuelve más popular, existe una mayor necesidad de distinguir claramente las diferencias entre los dos mecanismos para comprender su importancia en los sistemas físicos y biológicos. Ambos procesos explican cómo se desarrolla el orden colectivo a partir de "interacciones dinámicas a pequeña escala". [47] La ​​autoorganización es un proceso de no equilibrio donde el autoensamblaje es un proceso espontáneo que conduce al equilibrio. El autoensamblaje requiere que los componentes permanezcan esencialmente inalterados durante todo el proceso. Además de la diferencia termodinámica entre los dos, también hay una diferencia en la formación. La primera diferencia es lo que "codifica el orden global del todo" en el autoensamblaje, mientras que en la autoorganización esta codificación inicial no es necesaria. Otro ligero contraste se refiere al número mínimo de unidades necesarias para formar un orden. La autoorganización parece tener un número mínimo de unidades, mientras que el autoensamblaje no. Los conceptos pueden tener una aplicación particular en relación con la selección natural . [48] Finalmente, estos patrones pueden formar una teoría de la formación de patrones en la naturaleza. [49]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Scholia tiene un perfil de tema para Autoensamblaje .

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