Micro y nano-caracterización de materiales inteligentes
Dr. Marco Laurati
Departamento de Ingeniería Física
División de Ciencias e Ingeniería
Campus León, Universidad de Guanajuato
Uno de los productos de investigación del Laboratorio de Materiales Blandos de la UG fue publicado en una de las revistas internacionales más importantes en el área de la Ciencia de Materiales, llamada Small (factor de impacto: 10.856).
En el artículo "Model-Free Rheo-AFM determines the viscoelasticity of tunable DNA soft colloids" (Small; https://doi.org/10.1002/smll.201904136) proponemos un método experimental novedoso para determinar a una escala nano-métrica la respuesta mecánica de materiales cuyas propiedades cambian con el tiempo, condición que corresponde a la mayoría de aquellos que encontramos en aplicaciones industriales, por ejemplo, en la industria de plásticos. Nuestro método se fundamenta en el hecho de que las propiedades mecánicas dependientes del tiempo se pueden determinar a partir de experimentos donde se aplica una pequeña deformación a un material y se observa como ésta evoluciona: la forma y los tiempos característicos de esta evolución o relajación contienen información sobre las propiedades visco-elásticas del material; propiedades importantes si se requiere que el material tenga una aplicación tecnológica específica.
Muchos materiales no son homogéneos a pequeñas escalas de longitud, con la consecuencia de que sus propiedades mecánicas también resultan heterogéneas. Conocer las variaciones de resistencia mecánica a estas escalas nos ayuda a comprender por qué los materiales se rompen en ciertas regiones y, en caso de ser necesario, modificarlos para mejorar su respuesta. Además, poder medir propiedades mecánicas en estas dimensiones nos permite explorar la resistencia de materiales biológicos, por ejemplo, una célula o de moléculas incluso más pequeñas.
En un microscopio de fuerza atómica, equipo fundamental del Laboratorio y que utilizamos en nuestro estudio, podemos usar una esfera de tamaño micro- o nano-métrica pegada a una varilla elástica (cantilever en inglés) para aplicar deformación a un material. La deflexión de la varilla cuando entra en contacto con el material determina la fuerza aplicada y permite monitorear la evolución de ésta en el tiempo debido a la respuesta mecánica del material.
Entonces, podemos medir propiedades visco-elásticas en escalas espaciales muy pequeñas. Además de analizar la dependencia temporal de la fuerza con modelos disponibles, implementamos un nuevo método basado en una transformada de Fourier de la fuerza, la cual también ayuda a determinar los módulos visco-elásticos dependientes de la frecuencia de deformación. Esta es la información que típicamente proporcionan instrumentos que miden propiedades mecánicas a escala macroscópicas. Así, es posible comparar de manera más directa propiedades en escalas de longitud micro y macroscópicas sin necesidad de considerar modelos para describir los datos.
Para demostrar el alcance y la importancia de esta nueva técnica, realizamos mediciones de las propiedades viscoelásticas de partículas coloidales recubiertas de ADN. Estos coloides representan un sistema modelo para explorar los estados de la materia formada por macromoléculas con una carga neta, debido a la capacidad de controlar el grado de dureza y la carga por medio de la longitud y el número de cadenas de ADN, así como la cantidad de sal en la solución. Estas partículas además tienen potenciales aplicaciones para transporte de fármacos debido a su bio-compatibilidad.
En el trabajo publicado en la revista Small fuimos capaces de determinar con la nueva técnica cómo cambia la dureza de una de estas partículas en función de la cantidad de sal en solución y de la longitud de las cadenas de ADN. En particular, observamos la existencia de una cantidad crítica de sal donde la dureza de las partículas coloidales se reduce de manera significativa por efecto de que las cadenas de ADN reducen su tamaño debido a una menor repulsión electrostática. La técnica se puede ahora extender a la medición de propiedades visco-elásticas de todo tipo de sólidos blandos que tienen una importante aplicación en diferentes sectores industriales (salud, plásticos, fármacos, etc.).
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