Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Empa e da ETH Zurich está brincando com blocos de construção em nanoescala projetados por engenharia de forma que são até 100 vezes maiores do que átomos e íons. E embora esses nano "blocos de Lego" interajam uns com os outros com forças muito diferentes e muito mais fracas do que aquelas que mantêm átomos e íons juntos, eles formam cristais sozinhos, cujas estruturas se assemelham às de minerais naturais. Esses novos mega-cristais ou superredes que são retratados na capa da última edição da Natureza exibem propriedades únicas, como superfluorescência - e podem muito bem inaugurar uma nova era na ciência dos materiais.

Para realmente apreciar o que uma equipe de pesquisadores liderada por Maksym Kovalenko e Maryna Bodnarchuk conseguiu, é melhor começar com algo mundano:Cristais de sal de mesa (também conhecido como sal-gema) são familiares para qualquer pessoa que já teve que apimentar um almoço abertamente insosso. Cloreto de sódio - NaCl em termos químicos - é o nome do produto químico útil; consiste em íons sódio carregados positivamente (Na +) e íons cloreto carregados negativamente (Cl-). Você pode imaginar os íons como contas que se atraem fortemente, formando cristais densamente compactados e rígidos como os que podemos ver em um saleiro.

Muitos minerais naturais consistem em íons - íons metálicos positivos e íons negativos, que se organizam em diferentes estruturas de cristal, dependendo de seus tamanhos relativos. Além disso, existem estruturas como diamante e silício:esses cristais consistem em apenas um tipo de átomo - carbono no caso do diamante -, mas, semelhantes aos minerais, os átomos também são mantidos juntos por fortes forças de ligação.

Novos blocos de construção para um novo tipo de assunto

E se todas essas fortes forças de ligação entre os átomos pudessem ser eliminadas? No reino dos átomos, com toda a mecânica quântica em jogo, isso não renderia uma molécula ou uma matéria de estado sólido, pelo menos nas condições ambientais. "Mas a química moderna pode produzir blocos de construção alternativos que podem, de fato, ter interações muito diferentes daquelas entre os átomos, "diz Maksym Kovalenko, Pesquisador da Empa e professor de química da ETH Zurique. "Eles podem ser tão duros quanto bolas de bilhar no sentido de que eles sentem um ao outro apenas quando colidem. Ou podem ser mais macios nas superfícies, como bolas de tênis. Além disso, eles podem ser construídos em muitas formas diferentes:não apenas esferas, mas também cubos ou outros poliedros, ou mais entidades anisotrópicas. "

Esses blocos de construção são feitos de centenas ou milhares de átomos e são conhecidos como nanocristais inorgânicos. A equipe de químicos de Kovalenko na Empa e na ETH é capaz de sintetizá-los em grandes quantidades com um alto grau de uniformidade. Kovalenko e Bodnarchuk, e alguns de seus colegas em todo o mundo, trabalhamos há cerca de 20 anos com esses tipos de blocos de construção. Os cientistas os chamam de "materiais Lego" porque eles formam redes densas ordenadas de longo alcance conhecidas como superredes.

Há muito se especulava que a mistura de diferentes tipos de nanocristais permitiria a engenharia de estruturas supramoleculares completamente novas. O eletrônico, As propriedades ópticas ou magnéticas de tais conjuntos de multicomponentes seriam uma mistura das propriedades dos componentes individuais. Nos primeiros anos, o trabalho se concentrou em misturar esferas de diferentes tamanhos, resultando em dezenas de várias superredes com estruturas de empacotamento que imitam estruturas de cristal comuns, como o sal de mesa - embora com células unitárias de cristal de dez a 100 vezes maiores.

Com seu último artigo em Natureza , a equipe liderada por Kovalenko e Bodnarchuk agora conseguia expandir o conhecimento ainda mais:eles se propuseram a estudar uma mistura de diferentes formas - esferas e cubos para começar. Esse desvio aparentemente simples da corrente principal imediatamente levou a observações muito diferentes. Além disso, os cubos escolhidos, a saber, nanocristais de perovskita de haleto de césio e chumbo coloidais, são conhecidos como alguns dos emissores de luz mais brilhantes desenvolvidos até hoje, desde sua invenção pela mesma equipe, há seis anos. As superredes obtidas pelos pesquisadores não são apenas peculiares no que diz respeito à sua estrutura, mas também com respeito a algumas de suas propriedades. Em particular, eles exibem superfluorescência, isto é, a luz é irradiada de maneira coletiva e muito mais rápida do que os mesmos nanocristais podem realizar em seu estado convencional, incorporado em um líquido ou pó.

Entropia como força ordenadora?

Ao misturar esferas e cubos, coisas maravilhosas acontecem:os nanocristais se organizam para formar estruturas familiares do mundo dos minerais, como perovskitas ou sal-gema. Todas essas estruturas, Contudo, são 100 vezes maiores do que suas contrapartes em cristais convencionais. Além do mais:uma estrutura semelhante a uma perovskita nunca havia sido observada na montagem de tais nanocristais não interagentes.

Especialmente curioso:essas estruturas altamente ordenadas são criadas exclusivamente pela força da entropia, ou seja, o esforço perpétuo da natureza para causar o máximo de desordem. Que piada perfeita da natureza! Esta montagem paradoxal ocorre porque, durante a formação do cristal, as partículas tendem a usar o espaço ao seu redor de forma mais eficiente, a fim de maximizar sua liberdade de movimento durante os estágios finais da evaporação do solvente, ou seja, antes de serem "congelados" em suas posições de rede cristalina eventuais. A respeito disso, a forma dos nanocristais individuais desempenha um papel crucial - os cubos de perovskita macia permitem um empacotamento muito mais denso do que o que pode ser obtido em misturas totalmente esféricas. Assim, a força da entropia faz com que os nanocristais sempre se organizem na embalagem mais densa possível - desde que sejam projetados de forma que não se atraiam ou repelam por outros meios, como a eletrostática.

O amanhecer de uma nova ciência

“Vimos que podemos fazer novas estruturas com alta confiabilidade, "diz Maksym Kovalenko." E isso agora levanta muitas outras questões; ainda estamos no começo:quais propriedades físicas essas superredes fracamente ligadas exibem e qual é a relação estrutura-propriedade? Eles podem ser usados ​​para certas aplicações técnicas, dizer, em computação quântica óptica ou em imagens quânticas? De acordo com que leis matemáticas eles formam? Eles são realmente termodinamicamente estáveis ​​ou apenas cineticamente presos? ”Kovalenko agora está em busca de teóricos que possam prever o que ainda pode acontecer.

"Acabaremos descobrindo classes completamente novas de cristais, "ele especula, "uns, para os quais não existem modelos naturais. Eles então terão que ser medidos, classificados e descritos. "Tendo escrito o primeiro capítulo do livro para um novo tipo de química, Kovalenko está mais do que pronto para cumprir sua parte para que isso aconteça o mais rápido possível. "Estamos agora experimentando nanocristalitos em forma de disco e cilindro. E estamos muito animados para ver as novas estruturas que eles possibilitam, " ele diz.