Os cientistas agora podem filmar como os cristais crescem nas superfícies, ajudando-os a projetar materiais melhores para tudo, desde células solares até medicamentos.

Quando os cientistas falam sobre cristais, geralmente se referem a cristais únicos. Essas estruturas altamente ordenadas consistem em átomos, moléculas ou íons dispostos em um padrão tridimensional repetitivo. Como suas unidades repetitivas de blocos de construção são regulares e empilhadas ordenadamente umas sobre as outras, os monocristais tendem a ser fortes, uniformes e fáceis de caracterizar.

Mas a natureza raramente fornece cristais únicos perfeitos. Em vez disso, os materiais geralmente vêm como agregados policristalinos, uma mistura de cristais únicos menores e orientados aleatoriamente.

Essa disparidade é importante porque as propriedades de um material dependem fortemente de como os seus átomos ou moléculas se agrupam. Por exemplo, o desempenho das células solares de silício e dos LEDs depende do tamanho e da orientação dos minúsculos cristais únicos do material.

Agora, pesquisadores reportando na revista ACS Nano descrevem como filmaram o crescimento dos cristais. A equipe, liderada por Yassar Dahman, da Universidade da Virgínia, usou um método de microscopia conhecido como microscopia de força atômica para observar como pequenos cristais se nuclearam em um substrato de silício.

Os microscópios de força atômica usam um cantilever afiado, semelhante ao de um microscópio de sonda de varredura, para escanear a superfície. À medida que o cantilever se move através de uma amostra, a sua posição vertical é ajustada conforme necessário para manter uma força constante entre a ponta e a superfície. Os dados resultantes podem então ser usados ​​para determinar como a topografia da superfície varia ao longo da varredura.

O grupo configurou seu instrumento para escanear uma área ligeiramente maior que 2 micrômetros de lado, a cada 2 milissegundos – um processo que continuaram por mais de meia hora. O vídeo dos pesquisadores mostra como ilhas cristalinas em escala nanométrica se formam no substrato. O vídeo também revela que as ilhas crescem rapidamente, fundem-se umas com as outras e movem-se pela superfície à medida que o material se reorganiza, formando eventualmente cristais maiores e mais perfeitos.

“Você pode ver uma pequena ilha nucleada e ela começará a crescer e eventualmente atingirá outra ilha e se fundirá com ela”, diz Dahman.

Dahman observa que a escala de tempo do filme é muito mais rápida do que a de outras técnicas usadas para gerar imagens do movimento de átomos em superfícies, como a microscopia de varredura por tunelamento. “O que mostramos aqui é muito diferente do que vemos com essas técnicas, que mostram imagens estáticas porque sondam a superfície muito lentamente”, diz ele. “Estamos vendo um filme, em vez de uma imagem estática.”

A técnica também revela que as ilhas inicialmente têm estruturas diferentes, mas depois a estrutura mais estável assume o controle à medida que os cristais crescem, diz Dahman. “A estrutura mais estável é aquela com menor energia superficial”, explica.

Dahman diz que a equipe espera usar o novo método de microscopia para estudar como diferentes materiais crescem em tempo real, para aprender mais sobre por que os materiais adotam estruturas cristalinas específicas e para projetar materiais melhores para diversas aplicações.

Matthew J. Highland, da Universidade de Chicago, que não esteve envolvido na pesquisa, diz que o trabalho é “muito intrigante” e “emocionante”.

“A capacidade de observar a evolução do crescimento do cristal in situ em nanoescala é de grande valor para a área”, afirma. E embora os investigadores tenham visualizado cristais a crescer em silício, Highland observa que “esta técnica é igualmente aplicável a uma variedade de outros sistemas de materiais, incluindo semicondutores orgânicos, óxidos metálicos e até biomoléculas”.