Alguns dos menores cristais do mundo são conhecidos como "átomos artificiais" porque eles podem se organizar em estruturas que se parecem com moléculas, incluindo "superredes" que são blocos de construção em potencial para novos materiais.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford fizeram a primeira observação desses nanocristais formando superredes rapidamente enquanto eles próprios ainda estão crescendo. O que eles aprenderão ajudará os cientistas a ajustar o processo de montagem e adaptá-lo para fazer novos tipos de materiais para coisas como armazenamento magnético, células solares, optoeletrônica e catalisadores que aceleram as reações químicas.

A chave para fazê-lo funcionar foi a descoberta inesperada de que as superredes podem se formar super-rápidas - em segundos, em vez das horas ou dias habituais - durante a síntese de rotina de nanocristais. Os cientistas usaram um poderoso feixe de raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC para observar o crescimento de nanocristais e a rápida formação de superredes em tempo real.

Um artigo que descreve a pesquisa, que foi feito em colaboração com cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do DOE, foi publicado hoje em Natureza .

"A ideia é ver se podemos obter um entendimento independente de como essas superredes crescem, para que possamos torná-las mais uniformes e controlar suas propriedades, "disse Chris Tassone, um cientista da equipe do SSRL que liderou o estudo com Matteo Cargnello, professor assistente de engenharia química em Stanford

Cristais minúsculos com propriedades superdimensionadas

Os cientistas têm feito nanocristais em laboratório desde os anos 1980. Devido ao seu tamanho minúsculo - eles têm bilionésimos de um metro de largura e contêm apenas 100 a 10, 000 átomos cada - eles são governados pelas leis da mecânica quântica, e isso dá a eles propriedades interessantes que podem ser alteradas variando seu tamanho, forma e composição. Por exemplo, nanocristais esféricos conhecidos como pontos quânticos, que são feitos de materiais semicondutores, brilham em cores que dependem de seu tamanho; eles são usados ​​em imagens biológicas e, mais recentemente, em telas de TV de alta definição.

No início da década de 1990, pesquisadores começaram a usar nanocristais para construir superredes, que têm a estrutura ordenada de cristais regulares, mas com pequenas partículas no lugar de átomos individuais. Esses, também, espera-se que tenham propriedades incomuns maiores do que a soma de suas partes.

Mas até agora, superredes têm crescido lentamente em baixas temperaturas, às vezes em questão de dias.

Isso mudou em fevereiro de 2016, quando o pesquisador de pós-doutorado de Stanford, Liheng Wu, descobriu por acaso que o processo pode ocorrer muito mais rápido do que os cientistas pensavam.

'Algo estranho está acontecendo'

Ele estava tentando fazer nanocristais de paládio - um metal prateado usado para promover reações químicas em conversores catalíticos e muitos processos industriais - aquecendo uma solução contendo átomos de paládio a mais de 230 graus Celsius. O objetivo era entender como essas minúsculas partículas se formam, para que seu tamanho e outras propriedades pudessem ser ajustados mais facilmente.

A equipe adicionou pequenas janelas a uma câmara de reação do tamanho de uma tangerina para que pudessem lançar um feixe de raios X SSRL através dela e observar o que estava acontecendo em tempo real.

"É como cozinhar, "Cargnello explicou." A câmara de reação é como uma panela. Nós adicionamos um solvente, que é como o óleo de fritura; os principais ingredientes para os nanocristais, como paládio; e condimentos, que neste caso são compostos surfactantes que ajustam as condições de reação para que você possa controlar o tamanho e a composição das partículas. Depois de adicionar tudo à panela, você aquece e frita suas coisas. "

O estudante de pós-graduação de Wu e Stanford, Joshua Willis, esperava ver o padrão característico feito pelos raios X se espalhando pelas partículas minúsculas. Em vez disso, eles viram um padrão completamente diferente.

"Então, algo estranho está acontecendo, "eles mandaram uma mensagem ao conselheiro.

O estranho era que os nanocristais de paládio estavam se reunindo em superredes.

Um equilíbrio de forças

Neste ponto, "O desafio era entender o que une as partículas e as atrai umas às outras, mas não com tanta força, para que eles tenham espaço para se mexer e se estabelecer em uma posição ordenada, "disse Jian Qin, um professor assistente de engenharia química em Stanford que realizou cálculos teóricos para entender melhor o processo de automontagem.

Assim que os nanocristais se formam, o que parece estar acontecendo é que eles adquirem uma espécie de revestimento peludo de moléculas de surfactante. Os nanocristais se aglomeram, atraídos por forças fracas entre seus núcleos, e então um equilíbrio bem ajustado de forças atrativas e repulsivas entre as moléculas de surfactante penduradas as mantém na configuração certa para que a superrede cresça.

Para surpresa dos cientistas, os nanocristais individuais então continuaram crescendo, junto com as superredes, até que todos os ingredientes químicos na solução tenham se esgotado, e esse crescimento inesperado fez o material inchar. Os pesquisadores disseram que acham que isso ocorre em uma ampla gama de sistemas nanocristais, mas nunca tinha sido visto porque não havia como observá-lo em tempo real antes dos experimentos da equipe no SSRL.

"Uma vez que entendemos este sistema, percebemos que este processo pode ser mais geral do que pensamos inicialmente, "Disse Wu." Demonstramos que não se limita apenas aos metais, mas também pode ser estendido a materiais semicondutores e muito provavelmente a um conjunto muito maior de materiais. "

A equipe tem feito experimentos de acompanhamento para descobrir mais sobre como as superredes crescem e como elas podem ajustar o tamanho, composição e propriedades do produto acabado.