A estranha classe de materiais conhecida como quasicristais tem um novo membro. Em um artigo publicado na quinta-feira, 20 de dezembro no Ciência , pesquisadores da Brown University descrevem uma superrede quasicristalina que se auto-monta a partir de um único tipo de blocos de construção de nanopartículas.

Esta é a primeira observação definitiva de uma superrede quasicristalina formada por um único componente, dizem os pesquisadores. A descoberta fornece uma nova visão sobre como essas estranhas estruturas semelhantes a cristais podem surgir.

"Redes quasicristais de componente único foram previstas matematicamente e em simulações de computador, mas não tinha sido demonstrado antes disso, "disse Ou Chen, professor assistente de química na Brown e autor sênior do artigo. "É um tipo fundamentalmente novo de quasicristal, e conseguimos descobrir as regras para fazê-lo, que será útil no estudo continuado de estruturas quasicristais. "

Os materiais quasicristais foram descobertos pela primeira vez na década de 1980 pelo químico Dan Shechtman, que em 2011 recebeu o Prêmio Nobel pela descoberta. Ao contrário dos cristais, que consistem em padrões ordenados que se repetem, os quasicristais são ordenados, mas seus padrões não se repetem. Os quasicristais também têm simetrias que não são possíveis nos cristais tradicionais. Cristais normais, por exemplo, pode ter simetrias triplas que emergem de triângulos repetidos ou simetria quádrupla de cubos repetidos. Simetrias de duas e seis vezes também são possíveis. Mas os quasicristais podem ter cinco -, Simetrias de 10 ou 12 vezes, todos os quais são "proibidos" em cristais normais.

Os primeiros materiais quasicristalinos descobertos foram ligas metálicas, geralmente alumínio com um ou mais outros metais. Até aqui, esses materiais são usados ​​como revestimentos antiaderentes para frigideiras e revestimentos anticorrosivos para equipamentos cirúrgicos. Mas tem havido muito interesse em fazer novos tipos de materiais quasicristais - incluindo materiais feitos de nanopartículas de automontagem.

Chen e seus colegas não tinham originalmente começado a pesquisar quasicristais. Muito do trabalho de Chen tem sido sobre como preencher a lacuna entre os mundos em nano e macroescala, construindo superestruturas a partir de blocos de construção de nanopartículas. Cerca de dois anos atrás, ele projetou um novo tipo de bloco de construção de nanopartículas - um ponto quântico tetraédrico (em forma de pirâmide). Considerando que a maioria das pesquisas sobre a construção de estruturas a partir de nanopartículas foi feita com partículas esféricas, Os tetraedros de Chen podem compactar-se com mais força e, potencialmente, formar estruturas mais complexas e robustas.

Outra característica importante das partículas de Chen é que elas são anisotrópicas, o que significa que eles têm propriedades diferentes dependendo de sua orientação em relação ao outro. Uma face de cada partícula da pirâmide tem um ligante diferente (um agente de ligação) de todas as outras faces. Faces com ligantes semelhantes tendem a se ligar umas às outras quando as partículas se montam em estruturas maiores. Essa ligação direcionada torna as estruturas mais interessantes e complexas em comparação com partículas sem anisotropia.

Em pesquisa publicada recentemente no jornal Natureza , Chen e sua equipe demonstraram uma das superestruturas mais complexas criadas até hoje a partir de blocos de construção de nanopartículas. Nesse trabalho, as superestruturas foram montadas enquanto as partículas interagiam com um substrato sólido. Para este último trabalho, Chen e seus colegas queriam ver que tipo de estruturas as partículas formariam quando montadas no topo de uma superfície líquida, o que dá às partículas mais graus de liberdade durante a montagem.

A equipe ficou chocada ao descobrir que a estrutura resultante era na verdade uma rede quasicristalina.

"Quando percebi que o padrão que estava vendo era um quasicristal, Mandei um e-mail para Ou e disse 'Acho que encontrei algo ótimo, '"disse Yasutaka Nagaoka, um pós-doutorado no laboratório de Chen e o principal autor do novo artigo. "Foi realmente emocionante."

Usando microscopia eletrônica de transmissão, os pesquisadores mostraram as partículas montadas em decágonos discretos (polígonos de 10 lados), que se costuraram para formar uma rede quasicristal com simetria rotacional de 10 vezes. Essa simetria de 10 vezes, proibido em cristais regulares, era um sinal revelador de uma estrutura quasicristalina.

Os pesquisadores também foram capazes de adivinhar as "regras" pelas quais sua estrutura se formou. Embora os decágonos sejam as unidades principais da estrutura, eles não são - e não podem ser - as únicas unidades da estrutura. Formar um quasicristal é um pouco como colocar ladrilhos no chão. Os ladrilhos devem se encaixar de forma a cobrir todo o piso, sem deixar espaços vazios. Isso não pode ser feito usando apenas decágonos porque não há maneira de encaixá-los sem deixar lacunas. Outras formas são necessárias para preencher os buracos.

O mesmo vale para essa nova estrutura quasicristal - eles exigem "ladrilhos" secundários que podem preencher as lacunas entre os decágonos. Os pesquisadores descobriram que o que permitiu que sua estrutura funcionasse é que os decágonos têm bordas flexíveis. Quando necessário, um ou mais de seus pontos podem ser achatados. Fazendo isso, eles podem se transformar em polígonos com nove, oito, Sete, seis ou cinco lados - o que quer que fosse necessário para preencher o espaço entre os decágonos.

"Esses decágonos estão neste espaço confinado que eles devem compartilhar pacificamente, "Chen disse." Então eles fazem isso tornando suas bordas flexíveis quando precisam. "

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen says, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, química, mathematics and even art and design, " Chen said.