ANN ARBOR– Un nuevo material desarrollado en la Universidad de Michigan pueder realmente llamarse supercool. El material se mantiene líquido a más de 200 grados Fahrenheit por debajo de su punto de congelación, pero un leve toque puede hacer que se forman cristales amarillos que brillan bajo la luz ultravioleta.
Incluso células en una película del nuevo material producen huellas cristalizadas, lo que significa que es un millón de veces más sensible que otras moléculas para cambiar de color en respuesta a la presión.
El material podría tener un amplio rango de aplicaciones incluyendo ser utilizado como un nuevo tipo de sensor para las células vivas, o que el mecanismo detrás de sus inusuales propiedades sea utilizado en el desarrollo de electrónicos y medicinas.
“Es como si el agua siguiera siendo líquida a -100 grados Celsius “, dijo Kyeongwoon Chung, U-M estudiante de doctorado en ciencia de materiales e ingeniería y el primer autor del artículo publicado en ACS Central Science.
Los fabricantes de electrónicos están interesados en materiales orgánicos amorfo como el que se produjo en la U-M. Estos materiales son más baratos, más fáciles de trabajar y más flexible que los semiconductores inorgánicos tales como el silicio. Debido a que no tienen una estructura de cristal que hay que romper, también se disuelven bien en el cuerpo, lo que mejora su eficacia como productos farmacéuticos.
“Nos gustaría entender mejor los principios de diseño molecular para controlar la tendencia a la cristalización de moléculas orgánicas” dijo Jinsang Kim, profesor asociado de la U-M de ciencia de materiales e ingeniería, cuyo grupo descubrió la inusual molécula. “La mayoría de los materiales orgánicos tienen una fuerza impulsora para cristalizar, pero no siempre forman el mismo cristal de calidad, lo que dificulta el control de calidad”.
El equipo investigó una familia de moléculas orgánicas ampliamente utilizadas en pigmentos y dispositivos electrónicos como células solares, LEDs y transistores buscando formas de hacer más eficiente y constante la producción de sus formas amorfas. Estas moléculas pueden ser descritas como un núcleo rígido flanqueado por dos cadenas laterales flexibles. Si las cadenas son cortas, el núcleo conduce a la cristalización, pero si son largas, las cadenas interactúan para formar un tipo diferente de cristal.
El equipo de la UM encontró que variando las longitudes de las cadenas laterales, podían causar un punto muerto entre los dos modos de cristalización.
“Encontramos que las cadenas de unidad central y laterales están trabajando en direcciones opuestas”, dijo Kim, quien también es profesor asociado de ingeniería química, ingeniería biomédica, ciencia e ingeniería macromolecular.
Como resultado, la molécula permaneció líquida incluso cuando se enfrió por debajo de su temperatura de fusión de 273 grados Fahrenheit. Típicamente, este también sería el punto de congelación del material. En cambio, las moléculas permanecieron en un estado líquido estable “sobreenfriadas” a 41 grados Fahrenheit, momento en que las moléculas se solidifican en un vaso.
Además del inusual amplio rango de temperatura para el estado líquido subenfriado, el grupo encontró que el material se cristalizó al ser frotado con un lápiz óptico, pasando de rojo oscuro a amarillo brillante. El roce rompió el estancamiento entre las dos formas de las moléculas para conectar, permitiendo que las cadenas laterales se vinculen.
A altas temperaturas de alrededor de 212 grados Fahrenheit, cuando las moléculas se movían libremente, sólo un toque podría hacer que toda la película o de gotitas cristalizan.
“Es como un efecto dominó “, dijo Kim.
Pero a temperatura ambiente, el líquido más grueso cristalizó sólo cuando el lápiz se puso en contacto, permitiendo Chung garabatear mensajes como “shear-triggered crystal.”
El grupo planea usar esta molécula en biosensores, lo que podría revelar características de las células para el diagnóstico médico. La capacidad de escribir y borrar información luminiscente también sugiere el potencial para su uso en una memoria que codifica la información con luz en lugar de magnetismo.
Esta obra fue financiada en parte por el Centro para la Conversión de Energía Solar y Termal, un centro del Energy Frontier Research Center financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, con apoyo adicional del Ministerio de Economía y Competitividad de España, el Campus de Excelencia Internacional y la Fundación Nacional de Ciencia.
“Nos gustaría entender mejor los principios de diseño molecular para controlar la tendencia a la cristalización de moléculas orgánicas” dijo Jinsang Kim, profesor asociado de la U-M de ciencia de materiales e ingeniería, cuyo grupo descubrió la inusual molécula. “La mayoría de los materiales orgánicos tienen una fuerza impulsora para cristalizar, pero no siempre forman el mismo cristal de calidad, lo que dificulta el control de calidad”.
El equipo investigó una familia de moléculas orgánicas ampliamente utilizadas en pigmentos y dispositivos electrónicos como células solares, LEDs y transistores buscando formas de hacer más eficiente y constante la producción de sus formas amorfas. Estas moléculas pueden ser descritas como un núcleo rígido flanqueado por dos cadenas laterales flexibles. Si las cadenas son cortas, el núcleo conduce a la cristalización, pero si son largas, las cadenas interactúan para formar un tipo diferente de cristal.
El equipo de la UM encontró que variando las longitudes de las cadenas laterales, podían causar un punto muerto entre los dos modos de cristalización.
“Encontramos que las cadenas de unidad central y laterales están trabajando en direcciones opuestas”, dijo Kim, quien también es profesor asociado de ingeniería química, ingeniería biomédica, ciencia e ingeniería macromolecular.
Como resultado, la molécula permaneció líquida incluso cuando se enfrió por debajo de su temperatura de fusión de 273 grados Fahrenheit. Típicamente, este también sería el punto de congelación del material. En cambio, las moléculas permanecieron en un estado líquido estable “sobreenfriadas” a 41 grados Fahrenheit, momento en que las moléculas se solidifican en un vaso.
Además del inusual amplio rango de temperatura para el estado líquido subenfriado, el grupo encontró que el material se cristalizó al ser frotado con un lápiz óptico, pasando de rojo oscuro a amarillo brillante. El roce rompió el estancamiento entre las dos formas de las moléculas para conectar, permitiendo que las cadenas laterales se vinculen.
A altas temperaturas de alrededor de 212 grados Fahrenheit, cuando las moléculas se movían libremente, sólo un toque podría hacer que toda la película o de gotitas cristalizan.
“Es como un efecto dominó “, dijo Kim.
Pero a temperatura ambiente, el líquido más grueso cristalizó sólo cuando el lápiz se puso en contacto, permitiendo Chung garabatear mensajes como “shear-triggered crystal.”
El grupo planea usar esta molécula en biosensores, lo que podría revelar características de las células para el diagnóstico médico. La capacidad de escribir y borrar información luminiscente también sugiere el potencial para su uso en una memoria que codifica la información con luz en lugar de magnetismo.
Esta obra fue financiada en parte por el Centro para la Conversión de Energía Solar y Termal, un centro del Energy Frontier Research Center financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, con apoyo adicional del Ministerio de Economía y Competitividad de España, el Campus de Excelencia Internacional y la Fundación Nacional de Ciencia.
