Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

En el mundo de las partículas diminutas suspendidas en un líquido, conocidas como coloides, la forma en que las cosas se adhieren entre sí depende en gran medida de su forma y de dónde están los puntos de adherencia. Imagine una multitud de personas intentando formar una fila; si todos son perfectamente redondos y son igualmente amigables con todos los demás, se agruparán naturalmente de la forma más compacta posible, sin dejar huecos. Sin embargo, si se les da una regla específica —por ejemplo, que solo pueden tomarse de las manos con dos personas específicas situadas a ambos lados de ellos, y que tienen forma de óvalos alargados en lugar de círculos— el resultado es completamente diferente. En lugar de un bloque sólido y compacto, se ven obligados a organizarse en redes abiertas y porosas con agujeros en medio. Los científicos han estado interesados durante mucho tiempo en estas estructuras abiertas porque sus formas únicas pueden controlar cómo pasa la luz a través de ellas o cómo se mueven los fluidos a través de ellas, propiedades que son vitales para la creación de materiales avanzados. Un ejemplo famoso de tal estructura es la red de kagome, un patrón que se asemeja a una cesta tejida, altamente ordenado pero lleno de espacio vacío.

Investigadores de la Universidad Técnica de Viena exploraron recientemente cómo el cambio de la forma de estas partículas pegajosas de esferas a elipses alargadas altera la forma en que construyen estas redes. Utilizaron simulaciones por computadora para observar miles de estas partículas con forma de óvalo, cada una con dos puntos pegajosos en los extremos opuestos, mientras se ensamblaban bajo diferentes condiciones de temperatura y concentración. Su objetivo era ver si el cambio de forma simplemente haría que los mismos patrones aparecieran de manera diferente, o si cambiaría fundamentalmente las reglas de cómo las partículas se encuentran entre sí y se encajan en su lugar. Descubrieron que, aunque las partículas seguían formando la hermosa y ordenada red de kagome, el camino que siguieron para llegar allí fue sorprendentemente directo. A diferencia de sus contrapartes redondas, que típicamente construyen cadenas largas primero y luego las reorganizan en el patrón final, estas partículas de forma ovalada saltaron directamente a la estructura terminada.

El equipo observó que, ajustando la temperatura y la densidad de las partículas, podían sintonizar el sistema para que fuera un cristal perfectamente ordenado o una red desordenada y caótica. Cuando las condiciones eran las adecuadas, las partículas formaban una cuadrícula regular donde cada agujero era un bucle perfecto de seis partículas. A medida que hacían el entorno más concurrido o más frío, este orden comenzaba a desmoronarse. Los bucles perfectos empezaban a distorsionarse, creando agujeros con cinco o siete lados, y finalmente, la red se convertía en una mezcla caótica de diferentes formas. Para entender este caos, los investigadores desarrollaron una nueva forma de mapear las conexiones. En lugar de solo contar cuántas partículas se tocaban, rastrearon exactamente qué puntos pegajosos estaban conectados. Esto les permitió ver que las partículas ovaladas tenían una flexibilidad única; podían doblar sus conexiones más fácilmente que las partículas redondas, lo que parecía ayudarles a saltarse el paso intermedio de la formación de cadenas para ir directamente a la construcción de la compleja red.

El estudio también reveló que la forma en que estas redes se desmoronan no es aleatoria. A medida que el orden desaparece, los agujeros en la red no solo se hacen más grandes; cambian su carácter. Los investigadores encontraron que la red desarrolló una preferencia por los agujeros de cinco lados sobre los de siete, un desequilibrio específico que se había visto en otros tipos de partículas pegajosas, pero que ahora se confirmaba en estas formas ovaladas. Este cambio sugiere que la forma ovalada facilita la formación de ciertos tipos de defectos mientras que hace que otros sean más difíciles de lograr. El equipo también detectó algunas extrañas estructuras similares a escaleras formándose en las regiones desordenadas, que podrían estar compitiendo con el patrón de kagome por el dominio, aunque aún no pudieron probar qué estructura era más estable.

Quizás el hallazgo más significativo fue cómo las partículas se ensamblaron desde cero. En simulaciones de partículas redondas, los científicos habían observado previamente un proceso de dos pasos: las partículas primero se agrupaban en cadenas largas y filamentosas, y solo más tarde estas cadenas se desenredaban y reorganizaban en la red final. Las partículas ovaladas, sin embargo, no hicieron esto. Cuando los investigadores bajaron la temperatura para activar el ensamblaje, las partículas formaron los bucles ordenados de inmediato, sin pasar nunca por la etapa de las cadenas largas. Esto sugiere que la forma alargada de las partículas proporciona un tipo de libertad diferente, permitiéndoles encontrar sus posiciones correctas en la red de una manera mucho más directa. Los investigadores señalaron que, a temperaturas más bajas, los núcleos de estas nuevas estructuras se volvían más rugosos y ramificados, llenos de más defectos de cinco lados, lo que indica que la velocidad de ensamblaje se produjo a costa de la perfección de la suavidad.

Este trabajo proporciona un ejemplo claro de cómo un simple cambio en la geometría —estirar una esfera para convertirla en una elipse— puede reescribir las reglas del autoensamblaje. Demuestra que el camino que toma un material para formarse es tan importante como la forma final en la que termina. Al introducir un nuevo método para mapear las conexiones entre los puntos pegajosos, los investigadores se dotaron de una herramienta poderosa para mirar dentro de estas redes, distinguiendo entre enlaces simples y bucles complejos que antes eran invisibles para el análisis estándar. Aunque el estudio se realizó enteramente mediante simulaciones por computadora, los hallazgos ofrecen una hipótesis convincente sobre cómo la forma influye en la formación de materiales complejos. Los resultados sugieren que, al diseñar partículas con formas y puntos pegajosos específicos, los científicos podrían guiar la formación de materiales con porosidad y orden controlados con precisión, abriendo nuevas puertas para la ingeniería de materiales que puedan filtrar, detectar o conducir la luz de formas que actualmente son imposibles.