p Quando os materiais atingem escalas de tamanho extremamente pequenas, coisas estranhas começam a acontecer. Um desses fenômenos é a formação de mesocristais. p Apesar de ser composto de cristais individuais separados, mesocristais se juntam para formar um maior, estrutura fundida que se comporta como uma estrutura pura, único cristal. Contudo, esses processos acontecem em escalas muito pequenas para o olho humano ver e sua criação é extremamente difícil de observar.

p Por causa desses desafios, os cientistas não foram capazes de confirmar exatamente como os mesocristais se formam.

p Agora, uma nova pesquisa feita por uma equipe do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) usou técnicas avançadas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para ver a forma de mesocristais em solução em tempo real. O que eles viram vai contra a sabedoria convencional e seus insights podem um dia ajudar os cientistas a projetar materiais para armazenamento de energia e entender como os minerais se formam no solo.

p Em vez de nucleação de cristais individuais, a etapa que inicia a formação do cristal, e, em seguida, agregar aleatoriamente em mesocristais em duas etapas não relacionadas, os pesquisadores observaram que a nucleação e a fixação estavam intimamente ligadas na formação dessas estruturas altamente uniformes. Os pesquisadores relataram seu trabalho em 18 de fevereiro, Edição de 2021 de Natureza .

p "Nossas descobertas identificam um novo caminho importante de cristalização por fixação de partículas e resolvem questões-chave sobre a formação mesocristal, "disse o PNNL e o cientista de materiais da Universidade de Washington, Guomin Zhu. Ele fazia parte da equipe de pesquisa liderada por Jim De Yoreo, Cientista de materiais do PNNL e codiretor do Northwest Institute for Materials Physics, Química, e Tecnologia. "Suspeitamos que este seja um fenômeno generalizado com implicações significativas tanto para a síntese de nanomateriais projetados quanto para a compreensão da mineralização natural, "Zhu acrescentou.

p Vendo a cristalização em tempo real

p O projeto levou anos para ser executado e exigiu uma significativa solução de problemas. Para os experimentos de microscopia, a equipe científica escolheu um sistema modelo que incluía hematita, um composto de ferro comumente encontrado na crosta terrestre, e oxalato, um composto naturalmente abundante no solo.

p Eles visualizaram o processo usando TEM in situ, o que dá aos pesquisadores a capacidade de ver a cristalização em escala nanométrica conforme ela acontece. Eles combinaram este método em tempo real com o TEM "congelar e olhar" que os permitiu seguir um cristal individual em diferentes pontos durante o crescimento. Cálculos teóricos ajudaram a completar o quadro, permitindo que a equipe do PNNL descubra como os mesocristais cresceram.

p Os pesquisadores geralmente executam a maioria dos experimentos TEM in situ em temperatura ambiente para simplificar a configuração experimental e minimizar o potencial de danificar o instrumento sensível, mas a formação mesocristal rápida o suficiente para ser observada ocorre em torno de 80 ° C.

p "O equipamento adicional usado para aquecer as amostras tornou os experimentos extremamente desafiadores, mas sabíamos que os dados seriam essenciais para entender como os mesocristais estavam se formando, "disse Zhu.

p Uma vez aquecido, os novos nanocristais de hematita tornam mais fácil para eles se ligarem rapidamente, o que leva, na média, aos mesocristais finais de aproximadamente o mesmo tamanho e forma.

p Mesocristais na natureza

p A chave química para este rápido, ligação confiável são as moléculas de oxalato presentes na solução. Após a formação dos primeiros pequenos cristais, os aditivos de oxalato ajudam a criar um gradiente químico na interface do líquido com o cristal em crescimento. Mais componentes químicos necessários para a nucleação de partículas permanecem perto dos cristais, o que aumenta dramaticamente a probabilidade de que novas partículas se formem perto das existentes.

p Embora esta via de crescimento do cristal tenha sido observada em condições controladas em escalas muito pequenas, provavelmente também ocorre em sistemas naturais, de acordo com os pesquisadores. Alguns depósitos minerais, incluindo um depósito de hematita australiana, contêm mesocristais. Dada a abundância natural de oxalato e a observação da equipe do PNNL de que a hematita pode se tornar mesocristal em temperaturas tão baixas quanto 40 ° C, parece plausível que essa rota de formação ocorra na natureza.

p Como os mesocristais são encontrados em toda a natureza, as descobertas podem ser aplicadas para compreender o ciclo de nutrientes no meio ambiente, entre outras aplicações. Além disso, o caminho para a criação de estruturas complexas quase uniformes requer uma compreensão de como os métodos de formação de tais materiais funcionam e como controlá-los. Assim, este trabalho, apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Office of Science, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciências Químicas, Geociências, e biociências, abre novas possibilidades para criar intencionalmente mesocristais ou materiais semelhantes a mesocristais.