El investigador Justin Zoppe recibe una ayuda ERC Consolidator Grant para desarrollar nuevos metamateriales quirales
Montaje que ejemplifica la propiedad de la quiralidad, objeto de la investigación de Justin Zoppe, y que muestra al investigador sujetando un modelo de la glucosa, la unidad básica de la celulosa
Experto en química de la celulosa
Justin Zoppe (Michigan, Estados Unidos, 1983) es profesor de la UPC desde noviembre de 2020. Se graduó en Química (cum laude, con honores), mención en Matemáticas, en la Universidad de Carolina del Norte-Wilmington, Estados Unidos, en 2005. Y obtuvo el doctorado en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en 2011, donde desarrolló su tesis doctoral sobre la modificación superficial de sustratos de nanocelulosa en el Departamento de Biomateriales Forestales.
A lo largo de su carrera, ha trabajado como becario postdoctoral en la Universidad de Aalto, Finlandia, y en la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, cofinanciado por una Marie Skłodowska-Curie Action.
En 2017 recibió la beca Ambizione de la Fundación Nacional Suiza de la Ciencia, que le permitió liderar un grupo de investigación sobre química de polímeros en el Instituto Adolphe Merkle de la Universidad de Friburgo, Suiza, hasta 2018.
Justin Zoppe es uno de los pocos investigadores del mundo con experiencia combinada en química de la celulosa, injerto de polímeros y ensamblaje coloidal. Con una financiación de dos millones de euros para un período de cinco años, la ayuda Consolidator Grant le permitirá continuar su investigación en torno a los nuevos metamateriales helicoidales moldeados por nanocristales de celulosa con polímeros en los extremos.
El Consejo Europeo de Investigación ha otorgado una beca Consolidator Grant al investigador de la UPC Justin Zoppe, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, para desarrollar nuevos metamateriales capaces de detectar la quiralidad molecular. El investigador recibirá una financiación de dos millones de euros para llevar a cabo la investigación en un período de cinco años.
31/01/2023
La quiralidad es una propiedad presente en la naturaleza que consiste en la no superposición de un objeto con su imagen especular, o, lo que es lo mismo, su reflejo en un espejo. Así, por ejemplo, la mano derecha no puede superponerse a su imagen especular, que es la mano izquierda. Aunque su fórmula molecular es idéntica, la orientación tridimensional es distinta.
La detección de estructuras quirales a través de espectroscopia quiral es fundamental en química, biología e industria farmacéutica, ya que proporciona información importante sobre las estructuras secundarias de proteínas, transiciones electrónicas y conformación de pequeñas moléculas. Sin embargo, detectar la quiralidad molecular es muy complicado, ya que la señal que resulta en el espectrómetro es tan débil que hace difícil identificar estas diferencias en la estructura molecular.
Para avanzar en este campo, el Consejo Europeo de Investigación (ERC, por las siglas en inglés de European Research Council) ha otorgado una beca Consolidator Grant a Justin Zoppe, investigador del grupo de investigación Polyfunctional Polymeric materials (POLY2), profesor lector Serra Húnter del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) y que imparte docencia en la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE) y en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB).
En concreto, en el marco del proyecto 'CELICOIDS - Nanohelicoid metamaterials templated by cellulose nanocrystals with end-tethered polymers', el investigador desarrollará nuevos metamateriales -materiales diseñados para tener una propiedad que no se encuentra en la naturaleza- con el potencial de aumentar la sensibilidad espectroscópica para distinguir la quiralidad molecular. Estos metamateriales, con forma helicoidal, se obtendrán a partir de celulosa, un polisacárido extraído del papel, algodón u otras fibras vegetales, a la que se aplicará un tratamiento de hidrólisis que permitirá extraer nanocristales de celulosa, a los que se ensamblarán, en los extremos, polímeros funcionales sintéticos. Estos nanocristales modificados se utilizarán como plantilla para fabricar metamateriales metálicos.
Cambio de paradigma en el campo de los metamateriales
Según explica Justin Zoppe, "lo más interesante de estos nanocristales de celulosa es que son cristales líquidos autoensamblables, ya que, al secarse, se autoensamblan formando estructuras helicoidales". La novedad de la investigación radica en que ahora se modificarán los extremos de estos cristales nanométricos para adjuntar polímeros funcionales sintéticos, que guiarán la formación de nanohelicoides metálicos.
Como resultado, "se obtendrá una película que podrá impregnarse con metales, como el oro, por ejemplo, que quedará inmovilizado en los extremos, donde se encuentran estos polímeros funcionales", tal y como apunta el investigador, que destaca que "después de cristalizar el metal y de eliminar la plantilla de celulosa modificada, el objetivo final es conseguir una estructura metálica helicoidal nueva, similar a un tornillo o tuerca de Arquímedes en escala nano". Este procedimiento es pionero, ya que, hasta ahora, no ha sido posible fabricar estructuras metálicas tan complejas mediante el autoensamblaje.
La estructura resultante será también quiral y tendrá propiedades electromagnéticas extraordinarias no observadas en la naturaleza, que mejorarán la detección de moléculas quirales en distintos campos de investigación. Cuando se combinen en una solución de moléculas quirales, lo harán actuar como vehículo quiral de comunicación entre la luz quiral y las pequeñas moléculas quirales, amplificando la señal global de detección en la espectroscopia quiral, como el dicroísmo circular.
Las aplicaciones finales de estos nuevos metamateriales van desde la óptica quiral a su uso en nanodispositivos, máquinas y sensores quirales, además de aplicaciones en los campos de la biología o la industria farmacéutica. También pueden ser una base para futuros dispositivos de encubrimiento de invisibilidad y lentes para imágenes de superresolución en ciencias naturales y en el ámbito médico.
Además, el proceso de ingeniería propuesto, basado únicamente en el autoensamblaje, representa un cambio de paradigma en la investigación y la manufactura de metamateriales, ya que simplificaría la fabricación de metamateriales quirales, que actualmente se basa en procesos complejos y costosos a partir de deposición de vapor en el vacío.
Más información
- European Research Council awards €657m in grants to researchers across Europe (Noticia publicada en la web del European Research Council)