O processo de cristalização, em que átomos ou moléculas se alinham em arranjos ordenados como soldados em formação, é a base de muitos dos materiais que definem a vida moderna, incluindo o silício em microchips e células solares. Mas embora muitas aplicações úteis para cristais envolvam seu crescimento em superfícies sólidas (ao invés de em solução), tem havido uma escassez de boas ferramentas para estudar esse tipo de crescimento.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e Draper encontrou uma maneira de reproduzir o crescimento de cristais em superfícies, mas em uma escala maior que torna o processo muito mais fácil de estudar e analisar. A nova abordagem é descrita em um artigo na revista Materiais da Natureza , por Robert Macfarlane e Leonardo Zomberg no MIT, e Diana Lewis Ph.D. 19 e David Carter na Draper.

Em vez de montar esses cristais a partir de átomos reais, a chave para tornar o processo fácil de observar e quantificar era o uso de "equivalentes de átomos programáveis, "ou PAEs, Macfarlane explica. Isso funciona porque a maneira como os átomos se alinham nas estruturas cristalinas é inteiramente uma questão de geometria e não depende das propriedades químicas ou eletrônicas específicas de seus constituintes.

A equipe usou nanopartículas esféricas de ouro, revestido com fitas únicas especialmente selecionadas de DNA geneticamente modificado, dando às partículas a aparência de bolas de Koosh. As fitas simples de DNA têm a propriedade inerente de se prender firmemente às fitas recíprocas correspondentes, para formar a dupla hélice clássica, portanto, essa configuração fornece uma maneira infalível de fazer com que as partículas se alinhem precisamente da maneira desejada.

"Se eu colocar um pincel muito denso de DNA na partícula, vai fazer o maior número de ligações possível com os vizinhos mais próximos, "Macfarlane diz." E se você projetar tudo apropriadamente e processá-lo corretamente, eles formarão estruturas de cristal ordenadas. "Embora esse processo seja conhecido há alguns anos, este trabalho é o primeiro a aplicar esse princípio para estudar o crescimento de cristais em superfícies.

"Compreender como os cristais crescem de uma superfície é extremamente importante para muitos campos diferentes, "diz ele. A indústria de semicondutores, por exemplo, baseia-se no crescimento de grandes materiais monocristalinos ou multicristalinos que devem ser controlados com grande precisão, no entanto, os detalhes do processo são difíceis de estudar. É por isso que o uso de análogos superdimensionados, como os PAEs, pode ser tão benéfico.

Os PAEs, ele diz, "cristalizam exatamente nas mesmas vias que as moléculas e os átomos. E, portanto, são um sistema proxy muito bom para entender como ocorre a cristalização." Com este sistema, as propriedades do DNA ditam como as partículas se agrupam e a configuração 3-D em que terminam.

Eles projetaram o sistema de forma que os cristais se nucleados e cresçam a partir de uma superfície e "adaptando as interações entre as partículas, e entre as partículas e a superfície revestida com DNA, podemos ditar o tamanho, a forma, a orientação e o grau de anisotropia (direcionalidade) no cristal, "Macfarlane diz.

"Ao compreender o processo que está acontecendo para realmente formar esses cristais, podemos potencialmente usar isso para entender os processos de cristalização em geral, " ele adiciona.

Ele explica que não apenas as estruturas de cristal resultantes são cerca de 100 vezes maiores do que as reais atômicas, mas seus processos de formação também são muito mais lentos. A combinação torna o processo muito mais fácil de analisar em detalhes. Métodos anteriores de caracterizar tais estruturas cristalinas mostravam apenas seus estados finais, faltando assim complexidades no processo de formação.

"Eu poderia mudar a sequência de DNA. Posso mudar o número de filamentos de DNA na partícula. Posso mudar o tamanho da partícula e posso ajustar cada uma dessas alças individuais de forma independente, "Macfarlane diz." Então, se eu quisesse ser capaz de dizer, OK, Eu suponho que esta estrutura particular pode ser favorecida sob essas condições se eu sintonizar a energética de tal forma, esse é um sistema muito mais fácil de estudar com os PAEs do que seria com os próprios átomos. "

O sistema é muito eficaz, ele diz, mas as fitas de DNA modificadas de maneira a permitir a fixação às nanopartículas podem ser bastante caras. Como uma próxima etapa, o laboratório Macfarlane também desenvolveu blocos de construção à base de polímero que se mostram promissores na replicação desses mesmos materiais e processos de cristalização, mas pode ser feito de forma barata em uma escala de multigramas.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.