Muitas conchas, minerais, e nanomateriais semicondutores são feitos de cristais menores, que são montados juntos como as peças de um quebra-cabeça. Agora, pesquisadores mediram as forças que fazem com que os cristais se juntem, revelando uma orquestra de fatores concorrentes que os pesquisadores podem ser capazes de controlar.

O trabalho tem uma variedade de implicações tanto na descoberta quanto na ciência aplicada. Além de fornecer informações sobre a formação de minerais e nanomateriais semicondutores, também pode ajudar os cientistas a compreender o solo à medida que ele se expande e se contrai durante os ciclos de umedecimento e secagem. No reino aplicado, os pesquisadores podem usar os princípios para desenvolver novos materiais com propriedades exclusivas para as necessidades de energia.

Os resultados, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences em julho, descreva como o arranjo dos átomos nos cristais cria forças que os unem e os alinham para encaixe. O estudo revela como a atração se torna mais forte ou mais fraca conforme a água é aquecida ou sal é adicionado, ambos são processos comuns no mundo natural.

A equipe multinacional, liderado pelos químicos Dongsheng Li e Jaehun Chun do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, explorou as forças de atração entre duas partículas de cristal feitas de mica. Um mineral em flocos que é comumente usado em isolamento elétrico, este mineral à base de silício é bem estudado e fácil de trabalhar porque se fragmenta em pedaços planos com superfícies de cristal quase perfeitas.

Forças e rostos

A cristalização geralmente ocorre por meio da montagem de blocos de construção multifacetados:algumas faces desses cristais menores se alinham melhor com outras, como os blocos de Lego fazem. Li e Chun têm estudado um processo de cristalização específico denominado fixação orientada. Entre outras características distintivas, ligação orientada ocorre quando subunidades menores de cristais novatos alinham suas melhores faces correspondentes antes de se encaixarem.

O processo cria várias formas não lineares:nanofios com ramificações, treliças que parecem favos de mel complicados, e tetrápodes - estruturas minúsculas que parecem macacos de brinquedo com quatro braços. As forças moleculares que contribuem para essa automontagem não são bem compreendidas.

As forças moleculares que entram em ação podem atrair ou repelir os minúsculos blocos de construção de cristal uns para os outros. Isso inclui uma variedade de forças manuais, como van der Waals, ligação de hidrogênio, e eletrostática, entre outros.

Para explorar as forças, Li, Chun e seus colegas moldaram faces planas em minúsculas placas de mica e as colocaram em um dispositivo que mede a atração entre duas peças. Em seguida, eles mediram a atração enquanto giravam os rostos um em relação ao outro. O experimento permitiu que a mica fosse banhada em um líquido que inclui diferentes sais, permitindo que eles testem cenários do mundo real.

A diferença neste trabalho foi a configuração do líquido. Experimentos semelhantes feitos por outros pesquisadores foram feitos a seco sob vácuo; nesse trabalho, o líquido criou condições que simulam melhor como os cristais reais se formam na natureza e em grandes métodos industriais. A equipe realizou alguns desses experimentos no EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um DOE Office of Science User Facility no PNNL.

Twist and salt

Uma das primeiras coisas que a equipe descobriu foi que a atração entre dois pedaços de mica aumentava e diminuía à medida que os rostos se torciam um em relação ao outro, como ao tentar fazer um sanduíche com dois ímãs de geladeira planos (continue, tente). Na verdade, a atração aumentava e diminuía a cada 60 graus, correspondendo com a arquitetura interna do mineral, que é quase hexagonal como uma célula em favo de mel.

Embora outros pesquisadores, há mais de uma década, tivessem previsto que essa atração cíclica aconteceria, esta é a primeira vez que os cientistas medem as forças. Saber a força das forças é a chave para manipular a cristalização em um ambiente de pesquisa ou industrial.

Mas outras coisas também estavam agitadas no confronto de mica. Entre as duas superfícies, o ambiente líquido abrigava íons eletricamente carregados de sais, elementos normais encontrados durante a cristalização na natureza. A água e os íons formaram uma camada um tanto estável entre as superfícies que os mantinham parcialmente separados. E conforme eles se moviam um em direção ao outro, as duas superfícies de mica pararam lá, equilibrado entre atração e repulsão molecular por água e íons.

A equipe também descobriu que poderia manipular a força dessa atração, alterando o tipo de íons, a concentração deles, e a temperatura. Diferentes tipos de íons e suas concentrações alteraram a repulsão eletrostática entre as superfícies de mica. O tamanho dos íons e quantas cargas eles carregavam também criaram mais ou menos espaço dentro da camada de interferência.

Por último, temperaturas mais altas aumentaram a força da atração, ao contrário de como a temperatura se comporta de maneira mais simples, cenários menos complexos. Os pesquisadores construíram um modelo das forças concorrentes que incluiu van der Waals, eletrostática, e forças de hidratação.

No futuro, os pesquisadores dizem, os princípios recolhidos a partir deste estudo podem ser aplicados a outros materiais, que seria calculado para o material de interesse. Por exemplo, manipular a atração pode permitir que os pesquisadores construam cristais de tamanhos e formas desejados e com propriedades exclusivas. Geral, o trabalho fornece insights sobre o crescimento do cristal através da montagem de nanopartículas em material sintético, biológico, e ambientes geoquímicos.