Imagine tentar construir um edifício do tipo Coliseu, incluindo arcos, abóbadas e várias saliências - obedecendo a duas regras estritas:Apenas um tipo de tijolo pode ser usado, e esses tijolos devem ser colocados com precisão, um contra o outro, em um arranjo simétrico. Nem mesmo um pouco de incompatibilidade é permitido. No melhor, você seria capaz de erguer uma torre alta com câmara. A natureza tem leis semelhantes para a construção de monocristais.

As regras para a formação de solteiros, cristais moleculares são tão rígidos - eles devem ter arestas vivas, contínuo, estruturas de compartimento único - que é inconcebível imaginar esses princípios sendo quebrados. Até agora, isso é. Pesquisadores do Instituto de Ciência Weizmann conseguiram criar estruturas que são um paradoxo completo:único, cristais contínuos que possuem múltiplos domínios, uma forma assimétrica e linhas curvas; eles são tão complexos quanto se poderia esperar de uma estrutura "monumental". Esta classe única de materiais orgânicos foi relatada recentemente em Nature Communications . Como a estrutura cristalina desempenha um papel crítico na determinação das propriedades de um material, os cientistas da Weizmann planejam investigar mais a fundo essas novas estruturas e aplicar sua abordagem de montagem especial a diferentes tipos de "tijolos moleculares" que podem ajudar a criar materiais cristalinos altamente versáteis.

Vamos fazer a torção

Existem muitas questões em aberto na engenharia de cristais, embora alguns datem da obra de Louis Pasteur no século 19, por exemplo, como controlar o crescimento de cristais para que tenham um tamanho e forma uniformes, ou como controlar a quiralidade. As moléculas quirais são idênticas em sua composição, mas vêm em duas formas de imagem de espelho que, como mãos, aparecem nas versões "esquerda" ou "direita" que não podem ser sobrepostas. As formações de cristais quirais podem ser helicoidais - espiralando tanto no sentido horário quanto no anti-horário, dependendo da "destreza" das moléculas.

Cientistas do Instituto Weizmann, liderado pela estudante italiana de pós-doutorado Dra. Maria Chiara di Gregorio, O cientista sênior Dr. Michal Lahav e o Prof. Milko van der Boom, todo o Departamento de Química Orgânica, tocaram nessas questões. Ao longo dos anos, eles aperfeiçoaram seu método de criação de cristais únicos que são altamente complexos na aparência, e agora eles adicionaram uma reviravolta - literalmente. As estruturas de cristal que eles criaram têm a forma de um ioiô, com as duas metades espiralando em direções opostas; no topo desta estrutura, a aparência dos próprios dois discos é semelhante a uma flor, com numerosas "pétalas" quirais crescendo em torno de um "estigma" no centro. "Isso é surpreendente, uma vez que os 'blocos de construção' são todos simétricos, moléculas não quirais, "diz di Gregorio." A aparência semelhante a uma pétala sugere que essas 'deveriam ser' estruturas policristalinas - isto é, possuindo várias 'câmaras' - em vez de cristais únicos. "

Para entender como isso tem pétalas, estrutura quiral surgiu de moléculas não quirais, os cientistas usaram várias técnicas para examinar os cristais em três níveis diferentes:o nível morfológico (forma 3-D), o nível molecular, e então em um nível intermediário - a distribuição da densidade do elétron.

Usando microscopia eletrônica de varredura, eles foram capazes de interpretar quatro estágios de crescimento do cristal que podem ser definidos no nível morfológico. Moléculas orgânicas "cozidas" junto com átomos de metal em solução na temperatura certa produz sem forma, estruturas cilíndricas não quirais. Estes são os "botões de flores" que, nas etapas seguintes, transformar em objetos quirais. Primeiro, eles se desenvolvem em duas estruturas hexagonais torcidas, e as pétalas, então, começam a crescer e se organizar assimetricamente na superfície superior dos dois hexágonos de forma semelhante a uma hélice, tomando no sentido horário ou anti-horário. Na fase final, os cristais se desenvolvem em uma estrutura de ioiô bem definida, com seus múltiplos domínios dando-lhe uma aparência de flor.

Investigando a estrutura usando micro tomografia computadorizada (micro-CT) - um método não convencional na análise 3-D de cristais orgânicos de metal - os cientistas revelaram detalhes ocultos do nível de distribuição de densidade de elétrons "intermediário". De fato, as medições revelam um motivo espiral único contínuo abrangendo toda a estrutura de base a base, sugerindo que, apesar da forma complexa, é um único cristal quiral.

No nível molecular, Raios-X aplicados pela Dra. Linda Shimon do Departamento de Apoio à Pesquisa Química, mostrou a estrutura cristalina com clareza e forneceu evidências conclusivas para a composição de cristal único dos ioiôs complexos. Os padrões de raios-X também revelaram "escadas em espiral" - porosas, canais quirais que se estendem por toda a estrutura de cima para baixo.

Esses cristais torcidos eram tão contrários à natureza que os pesquisadores tiveram a estrutura confirmada de forma independente por um cristalógrafo em Nova York.

Colocando os cristais recém-descobertos em uso

"Esses resultados são empolgantes em um nível fundamental, já que conseguimos criar uma classe de material completamente única, "diz van der Boom. As descobertas podem encontrar aplicações, ele adiciona, no design de novos materiais porosos, por exemplo, para o armazenamento de combustíveis ecológicos, como hidrogênio, ou para capturar dióxido de carbono da atmosfera. E também podem ser usados ​​para melhorar a catálise em vários processos químicos.