Cubos sobre una base: cómo la rugosidad controla el autoensamblaje ✎

Sobre una oblea de silicio lisa, los nanocubos de oro se comportan como una multitud en una pista de hielo: al principio algunas figuras se deslizan al azar por el hielo, pero en un minuto se reúnen en una alfombra uniforme. Entre los cubos queda un espacio de dos nanómetros, más o menos como la palma de la mano entre vecinos en una fila. Esa alfombra no es más gruesa que un solo cubo, y a ese ensamblaje se le llama monocapa. Pero basta con cambiar la base por un vidrio de borosilicato, cuya rugosidad es mayor solo en 0.09 nanómetros, menos que el diámetro de un átomo de oro, y el panorama cambia: los cubos empiezan a apilarse unos sobre otros y forman islas de cuatro pisos de altura.

La clave está en unos ayudantes invisibles: las micelas del surfactante. Estas esferas blandas, parecidas a diminutas burbujas de jabón, se mueven entre los cubos y no pueden acercarse a ellos del todo. Alrededor de cada cubo queda una zona prohibida, adonde las micelas no pueden entrar. Cuando dos cubos se acercan, sus zonas prohibidas se superponen, y las micelas, privadas de parte del espacio, empiezan a empujar los cubos uno hacia el otro. Son las fuerzas de depleción: una atracción nacida de expulsar las partículas pequeñas de los huecos estrechos.

¿Por qué la rugosidad influye tanto en las fuerzas de depleción? Una superficie lisa es como un suelo parejo, donde cada cubo se apoya bien y la zona prohibida entre él y el suelo es mínima. Una superficie rugosa es como un suelo cubierto de piedritas: el cubo se apoya solo en unas cuantas protuberancias y debajo quedan rendijas por las que pueden colarse las micelas. Eso debilita el empuje y reduce la atracción hacia la base. Como resultado, sobre un suelo liso los cubos se extienden en una sola capa, y sobre uno pedregoso se agrupan en torres, porque la atracción entre los cubos de las capas superiores termina siendo más fuerte que la que sienten hacia la superficie irregular.