Un estudio realizado en la Universidad Bar-Ilan ha demostrado que una sustancia huésped puede organizarse en un patrón fijo en la superficie de una gota de líquido graso. El descubrimiento puede tener aplicaciones de gran alcance en el prometedor y candente campo de los metamateriales para su uso en la medicina y la industria.
Un equipo de físicos y químicos de la Universidad de Bar-Ilan ha desarrollado un método que permite controlar la posición de las moléculas invitadas en la superficie de una gota de líquido esférica. Las moléculas se modelan de forma independiente en 12 posiciones precisas en la gota. Si imaginamos la gota de líquido como una pelota de fútbol, estas 12 ubicaciones están exactamente en los centros de los pentágonos negros de la superficie de la pelota. El proceso está controlado por la temperatura del modelo y no se limita a un tipo específico de molécula huésped: cualquier molécula tensioactiva, es decir, una molécula adsorbida en la superficie de la gota, se comportará de manera similar.
A bajas temperaturas, las moléculas invitadas se alinean en la superficie de la gota a una distancia máxima entre sí (imagínese los pentágonos negros en la superficie del balón de fútbol encogiéndose). A altas temperaturas, las manchas de las moléculas invitadas se esparcen por la gota en un patrón específico. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que el mismo patrón se repetía en todos los millones de gotas de cada muestra.
En el experimento, los investigadores utilizaron un líquido graso para las gotas y moléculas fluorescentes como moléculas invitadas, ya que pueden rastrearse. El mecanismo básico que descifraron para explicar el fenómeno puede desempeñar un papel importante en los sistemas biológicos: desde las envolturas de los virus hasta la ubicación de las proteínas en la membrana celular viva. En los campos de micromateriales y nanomateriales, este fenómeno se puede utilizar para producir conexiones inteligentes que permiten que las gotas se conecten entre sí, formando estructuras de supragotas y para crear metamateriales con precisión: materiales diseñados con una estructura microscópica única que no existe en la naturaleza y les da Propiedades únicas bajo demanda.
El nuevo método de colocar moléculas en gotas de líquido también tiene implicaciones para casi todos los campos en los que se utilizan emulsiones: la industria alimentaria, la purificación del agua, las industrias petroleras, la nanomedicina y más. Por ejemplo, algunas vacunas utilizan gotitas líquidas «decoradas» con moléculas de antígeno. La ubicación y la orientación espacial de las moléculas de antígeno afectan la eficacia de la vacuna. El método desarrollado por los investigadores permite controlar estos parámetros para mejorar la eficacia de las vacunas, de modo que puedan administrarse en dosis más bajas, reduciendo los riesgos de efectos secundarios nocivos. También es posible pensar en gotas «inteligentes» en las que se puede cargar un cargamento de droga, que se liberará cuando la gota llegue a su destino. En la industria alimentaria, este método novedoso se puede utilizar para cambiar la textura, el sabor, la vida útil, el proceso de digestión, los efectos sobre la salud y más. El Prof. Eli Sloutskin, uno de los líderes del equipo de investigación, señala que todas estas direcciones son muy prometedoras, pero aún no se han explorado por completo.
El Prof. Sloutskin utiliza el modelo de fútbol para describir el mecanismo que explica los fenómenos de auto-patrón de las moléculas invitadas en la superficie de la gota de líquido: a ciertas temperaturas, las moléculas de aceite se organizan en una monocapa cristalina que cubre la superficie de las gotas. . La formación de una monocapa cristalina de este tipo, aunque contraria a la intuición, se ha observado previamente en muchos aceites. Estas capas cristalinas tienen una estructura hexagonal, pero no es posible producir una capa cerrada hecha solo de hexágonos: para que la capa se cierre, necesita usar exactamente 12 pentágonos, además de los hexágonos. Esta es la razón por la que hay 12 pentágonos (negros) en un balón de fútbol, mientras que todas las partes restantes (blancas) son hexágonos. De manera similar, en las capas cristalinas que cubren la superficie de las gotas, hay exactamente 12 «defectos» pentagonales: moléculas que tienen cinco vecinos más cercanos, en lugar de seis. Los defectos en el cristal causan estrés dentro del cristal. Para aliviar este estrés, los 12 defectos se alejan lo más posible entre sí. Así, los 12 defectos se posicionan en lugares que corresponden a los centros de los 12 pentágonos del balón de fútbol. Si ahora introducimos moléculas invitadas en el sistema, se unirán a las posiciones de los defectos, para compensar hasta cierto punto las deformaciones del cristal en estos lugares y disminuir la tensión. Por lo tanto, resulta que las moléculas invitadas se encontrarán en 12 puntos focales en la gota esférica, estando estos focos lo más separados posible.
El estudio, en coautoría del Prof. Eli Sloutskin, el Dr. Alexander Butenko y el Prof. Moshe Deutsch (del Departamento de Física); y el Prof. Yitzhak Mastai y el Dr. Subhomoy Das (del Departamento de Química) de la Universidad Bar-Ilan, se publicó en la revista Nature Physics.
