Los materiales autoensamblables denominados copolímeros de bloque, que se sabe que forman una gran variedad de patrones regulares y predecibles, ahora pueden convertirse en patrones mucho más complejos que podrían abrir nuevas áreas en el diseño de materiales, según afirma un equipo de investigadores del MIT.
Los nuevos hallazgos se publican en la revista Nature Communications, en un artículo del posdoctorando Yi Ding, de los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Alfredo Alexander-Katz y Caroline Ross, y de otros tres autores.
“Se trata de un descubrimiento que, en cierto sentido, fue fortuito”, afirma Alexander-Katz. “Todo el mundo pensaba que esto no era posible”, añade, al describir el descubrimiento del equipo de un fenómeno que permite a los polímeros autoensamblarse en patrones que se desvían de las disposiciones simétricas regulares.
Los copolímeros de bloque autoensamblables son materiales cuyas moléculas en forma de cadena, inicialmente desordenadas, se organizan espontáneamente en estructuras periódicas. Los investigadores habían comprobado que, si se creaba sobre un sustrato un patrón repetitivo de líneas o pilares y luego se formaba sobre esa superficie una película fina del copolímero de bloque, los patrones del sustrato se reproducían en el material autoensamblado. Sin embargo, este método solo podía producir patrones sencillos, como cuadrículas de puntos o líneas.
En el nuevo método existen dos patrones distintos y no coincidentes. Uno procede de un conjunto de postes o líneas grabados sobre un material de sustrato, y el otro es un patrón inherente que genera el copolímero autoensamblable. Por ejemplo, puede haber un patrón rectangular en el sustrato y una cuadrícula hexagonal que el copolímero forma por sí mismo. Cabría esperar que la disposición resultante del copolímero de bloque estuviera mal ordenada, pero el equipo no encontró eso. Por el contrario, “estaba formando algo mucho más inesperado y complejo”, afirma Ross.
Resultó existir un tipo de orden sutil pero complejo: áreas entrelazadas que formaban patrones ligeramente diferentes pero regulares, de un tipo similar a los cuasicristales, que no se repiten exactamente como lo hacen los cristales normales. En este caso, los patrones sí se repiten, pero a distancias más largas que en los cristales ordinarios. “Estamos aprovechando los procesos moleculares para crear estos patrones en la superficie”, con el material de copolímero de bloque, afirma Ross.
Esto abre potencialmente la puerta a nuevas formas de fabricar dispositivos con características a medida para sistemas ópticos o para “dispositivos plasmónicos”, en los que la radiación electromagnética resuena con los electrones de maneras finamente ajustadas, según explican los investigadores. Estos dispositivos requieren una posición y una simetría de patrones con dimensiones nanométricas muy precisas, algo que este nuevo método puede lograr.
Katherine Mizrahi Rodriguez, quien trabajó en el proyecto como estudiante de grado, explica que el equipo preparó muchas de estas muestras de copolímero de bloque y las estudió con un microscopio electrónico de barrido. Yi Ding, que trabajó en esto para su tesis doctoral, “empezó a revisarlas una y otra vez para ver si surgía algún patrón interesante”, afirma. “Así es como estos nuevos hallazgos fueron evolucionando”.
Los extraños patrones resultantes son “consecuencia de la tensión entre el patrón que el polímero tiende a formar y la plantilla”, explica Alexander-Katz. Esa tensión conduce a una ruptura de las simetrías originales y a la creación de nuevas subregiones con distintos tipos de simetrías en su interior, afirma. “Esa es la solución que la naturaleza encuentra. Al intentar encajar la relación entre estos dos patrones, surge una tercera cosa que rompe los patrones de ambos”. Describen los nuevos patrones como una “superred”.
Tras crear estas novedosas estructuras, el equipo desarrolló modelos para explicar el proceso. El coautor Karim Gadelrab, doctor en 2019, afirma: “El trabajo de modelización demostró que los patrones emergentes son, de hecho, termodinámicamente estables, y reveló las condiciones en las que se formarían los nuevos patrones”.
Ding afirma: “Comprendemos completamente el sistema en términos termodinámicos”, y el proceso de autoensamblaje “nos permite crear patrones finos y acceder a algunas nuevas simetrías que, de otro modo, son difíciles de fabricar”.
Afirma que esto elimina algunas limitaciones existentes en el diseño de materiales ópticos y plasmónicos y, por tanto, “crea un nuevo camino” para el diseño de materiales.
Hasta ahora, el trabajo realizado por el equipo se ha limitado a superficies bidimensionales, pero en el trabajo en curso esperan ampliar el proceso a la tercera dimensión, afirma Ross. “La fabricación tridimensional sería un cambio radical”, afirma. Las técnicas actuales de fabricación de microdispositivos los construyen capa a capa, explica, pero “si se pueden construir objetos completos en 3D de una sola vez”, el proceso podría ser mucho más eficiente.
Estos hallazgos “abren nuevas vías para generar plantillas para la nanofabricación con simetrías que no se pueden lograr solo con el copolímero”, afirma Thomas P. Russell, catedrático Silvio O. Conte de Ciencia e Ingeniería de Polímeros en la Universidad de Massachusetts, Amherst, que no participó en este trabajo. Añade que “abre la posibilidad de explorar un amplio espacio de parámetros para descubrir otras simetrías distintas de las analizadas en el manuscrito”.
Russell afirma: “El trabajo es de la máxima calidad”, y añade: “La combinación de teoría y experimento es bastante potente y, como puede verse en el texto, la concordancia entre ambos es notablemente buena”.
