Bienvenido al grupo Nanostructured Molecular Systems and Materials de la Universidad Autónoma de Madrid.
Nuestros intereses de investigación tienen como objetivo general mejorar o crear nuevas funciones en materiales orgánicos ordenando racionalmente las moléculas a nanoescala utilizando las herramientas de autoensamblaje. Estamos enfocados en el desarrollo de nuevas estrategias supramoleculares para la construcción de arquitecturas moleculares complejas con estructuras sin precedentes, emocionantes propiedades físicas y biológicas, y aplicaciones no convencionales.
El mundo biológico es un ejemplo brillante y una fuente de inspiración cuando se trata de la organización de moléculas. La naturaleza ha elegido las posibilidades ilimitadas del autoensamblaje para definir con precisión la estructura de las moléculas, organizarlas y crear una amplia diversidad de nanosistemas perfectamente definidos que tienen funciones particulares. La estructura de las cápsides virales y las membranas celulares, la organización precisa del colorante dentro de los centros de reacción fotosintéticos, la dinámica de integración y desintegración de los microtúbulos que forman el esqueleto celular, o el polimorfismo del ADN y las proteínas son solo algunos ejemplos representativos.
La forma en que las moléculas interactúan y se comunican con su entorno y la forma en que se organizan en arquitecturas más grandes es mediante interacciones supramoleculares no covalentes. Las moléculas se pueden "programar" con información química para reconocer y asociar específicamente a otras moléculas. La importancia y la complejidad de estos procesos de autoensamblaje representan una inspiración continua para los científicos en su búsqueda de la ingeniería de nanoestructuras complejas funcionales a través de un enfoque "Bottom-Up" bioinspirado.
La investigación del grupo se centra en Ingeniería Molecular. 1) diseñamos y 2) sintetizamos nuevas moléculas funcionales, desde moléculas biológicamente relevantes hasta colorantes conjugados con π, 3) los programamos con información supramolecular específica para guiar su ensamblaje en una nanoestructura dada, y 4) estudiamos cómo Las propiedades del sistema se relacionan con la estructura molecular y la arquitectura supramolecular. En colaboración con varios grupos de físicos químicos y biólogos moleculares, estamos explorando aplicaciones no convencionales y emocionantes de nuestros sistemas y materiales nanoestructurados en diversas áreas multidisciplinarias, tales como optoelectrónica orgánica, reconocimiento molecular y catálisis, materiales avanzados o biomedicina.
Ampliamente utilizado por la naturaleza para definir la estructura de las biomoléculas, el enlace de hidrógeno se considera un medio poderoso para controlar la arquitectura supramolecular, ya que es una interacción no covalente direccional, selectiva y sintonizable por la fuerza.
En nuestro grupo queremos aprovechar los atributos de esta interacción extraordinaria para construir selectivamente diferentes tipos de nanoobjetos poliédricos. Los directores de enlace H, es decir, los fragmentos que tienen una serie de grupos de donantes y receptores de enlace H, como los derivados de nucleósidos, están estratégicamente acoplados a bloques rígidos para guiar su ensamblaje en una sola estructura específica y bien definida. Los diferentes componentes funcionales en estos nanoobjetos discretos pueden cooperar para que el ensamblaje pueda mostrar una propiedad específica.
Ver, por ejemplo:
J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 19311
Perseguimos la síntesis de sistemas y materiales mediante polimerización supramolecular, es decir, un proceso de polimerización en el que las unidades de repetición monoméricas se mantienen unidas por enlaces no covalentes, como la coordinación metal-ligando, las interacciones π-π dispersivas, dipolares o de enlace H. El diseño cuidadoso de los bloques de construcción autoensamblables y el control de la interacción entre múltiples interacciones no covalentes definirán la dimensionalidad de dichos sistemas.
1D Nanofibras o nanocables hechos de moléculas conjugadas π funcionales apiladas en las que intentaremos determinar la longitud y composición de la pila.
Redes 2D desarrolladas sobre superficies metálicas o grafíticas y materiales en capas 2D donde intentaremos controlar el posicionamiento molecular.
Marcos ordenados en 3D que se construyen mediante la combinación de diferentes reacciones reversibles no covalentes o covalentes y que estarán dotadas de nanocanales personalizados. Estos sistemas pueden encontrar aplicación como nanomembranas para tecnologías de separación avanzadas.
Ver, por ejemplo:
Chem. Mater. 2011, 23, 310
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2543
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 659
Nuestro objetivo es comprender los fundamentos del autoensamblaje químico y contribuir al desarrollo de todo el potencial de la síntesis no covalente para preparar, de manera bioinspirada, arquitecturas funcionales complejas. Uno de nuestros objetivos es establecer estrategias no convencionales y versátiles hacia nanotubos autoensamblados cuyo tamaño, composición, estructura interna y función se pueden diseñar y controlar racionalmente en la nanoescala. En una primera etapa, las entidades cíclicas específicas se forman por interacciones de enlace H. Estos macrociclos discretos se acumulan a través de polimerizaciones de nucleación-crecimiento en nanoestructuras tubulares altamente ordenadas guiadas por la acción cooperativa de directores paralelos. La combinación de química computacional y diversas técnicas de espectroscopia y microscopía nos permitirán estudiar las vías termodinámicas, cinéticas y mecanísticas de los diferentes procesos supramoleculares que intervienen en el ensamblaje de nanotubos, tanto en agua como en disolventes orgánicos.
Además, nuestro objetivo es hacer química dentro de estos nanoespacios confinados quirales. De hecho, podemos regular el diámetro y el recubrimiento químico de los poros de los tubos, para alojar selectivamente diversas moléculas huéspedes en función de su tamaño y afinidad química.
Vease, por ejemplo
J.Am.Chem.Soc. 2019, 41, 16432
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17091-17096. DOI: 10.1002/anie.202006877 (VIP paper)
El ADN es un biopolímero con interacciones predecibles y programables que se puede usar como un bloque de construcción versátil de autoensamblaje en nanotecnología para una amplia gama de aplicaciones potenciales: sensores altamente específicos, ingeniería de superficie celular, computación molecular, etc. En una de nuestras investigaciones en este tema, planeamos alterar radicalmente el autoensamblaje del ADN al nivel más profundo: la interacción entre bases. Usando modificaciones químicas de nucleobases adecuadamente diseñadas, una estructura cuádruplex de ADN, que tiene una sección cíclica y un poro interno sintonizable quiral, evoluciona espontáneamente a partir del auto reconocimiento programado de 4 cadenas de oligonucleótidos. Estos nanoobjetos definidos basados en ADN podrían ser aplicados como nanocontenedores para el suministro de medicamentos o imitadores de canales transmembrana. Además, el grupo está investigando el uso de cadenas simples de ADN para guiar el apilamiento de moléculas π conjugadas a través de un efecto plantilla. De esta manera, el grupo espera tener un control preciso sobre la polidispersidad, la longitud y la secuencia de los apilamientos.
En una línea de investigación relacionada, hemos estado estudiando el autoensamblaje de derivados de guanosina en G-quadruplex, que constituyen un ejemplo notable de nanoobjetos discretos autoensamblados. Estos complejos comprenden tetrámeros cíclicos unidos en H (cuartetos G) que pueden incorporar cationes metálicos de coincidencia de tamaño mediante la coordinación a los grupos carbonilo entre los cuartetos apilados π-π. Nosotros y otros grupos de investigación hemos considerado los G-quadruplex como andamios ideales a los que se pueden unir moléculas orgánicas funcionales para construir nanoclusters bien definidos que están dotados de propiedades físicas marcadamente diferentes de sus constituyentes moleculares.
Ver, por ejemplo:
Nature Chem. 2009, 1, 151
J. Am. Chem.Soc. 2010, 132, 4710<
Chem. Commun. 2016, 52, 9446<
Org.Lett. 2017, 19, 460
Org. Lett. 2020, 22, 41
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9041
La síntesis supramolecular de sistemas y materiales en los que se puede controlar la morfología y la disposición relativa de las moléculas π conjugadas individuales es un objetivo desafiante que requiere atención científica, de forma que la función y las propiedades optoelectrónicas puedan relacionarse con nanoestructuras bien definidas con un diseño organización molecular En colaboración con diferentes grupos, un proyecto central en esta línea se centra en la organización de moléculas π conjugadas en forma de cono con momento dipolar axial en nanoestructuras columnar no centrosimétricas y materiales cristalinos líquidos, que presentan polarización conmutable (es decir, ferroeléctrica) o permanente que se puede acoplar al transporte de cargas en el material. Otros objetivos actuales que están en desarrollo combinan estrategias y métodos no covalentes de los temas mencionados anteriormente que emplean derivados de nucleobases como directores supramoleculares para controlar el autoensamblaje de semiconductores de tipo p y n. Lograr una organización molecular racional y controlada a escala nanométrica puede ayudarnos a comprender los fenómenos de separación de cargas y migración de excitación / carga para optimizar el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos, como las células solares orgánicas.
Vease, por ejemplo
J.Am. Chem.Soc. 2010, 132, 4710
J.Am.Chem.Soc. 2013, 135, 19311
J.Mater.Chem.C. 2015, 3, 985
Angew.Chem.Int.Ed. 2015, 54, 2543
Adv.Mater. 2015, 27, 4280
Chem. Commun. 2016, 52, 9793
Science Adv. 2017, 3, e1701017
Una línea de investigación más reciente aplica directamente algunos de los conceptos y herramientas supramoleculares desarrollados en el grupo a los materiales poliméricos. Uno de los proyectos en esta línea apunta en última instancia a la preparación de recubrimientos poliméricos adhesivos donde la unión se produce bajo un mecanismo de contacto sensible a la presión entre dos superficies complementarias, imitando químicamente el funcionamiento de materiales como imanes o el Velcro®. Un segundo proyecto planea introducir interacciones no covalentes, multivalentes y cooperativas en polímeros supramoleculares con el objetivo de apuntar a polímeros termoplásticos e hidrogeles autoreparables.
Vease, por ejemplo
ChemistryOpen 2020, 9, 409
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