p Cientistas da Lehigh University, em colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, demonstraram a fabricação do que eles chamam de uma nova classe de sólido cristalino usando uma técnica de aquecimento a laser que induz os átomos a se organizarem em uma rede giratória sem afetar a forma macroscópica do sólido. p Ao controlar a rotação da rede cristalina, os pesquisadores dizem que serão capazes de fazer um novo tipo de monocristais sintéticos e materiais "bioinspirados" que imitam a estrutura de biominerais especiais e também suas propriedades eletrônicas e ópticas superiores.

p O grupo relatou suas descobertas hoje (3 de novembro) em Relatórios Científicos , um jornal da Nature, em um artigo intitulado "Arquitetura de cristal único em rede giratória na superfície do vidro". O autor principal do artigo é Dmytro Savytskii, um cientista pesquisador no departamento de ciência e engenharia de materiais em Lehigh.

p Os outros autores são Volkmar Dierolf, distinto professor e presidente do departamento de física de Lehigh; Himanshu Jain, o T.L. Diamond Distinguished Chair em Engenharia e Ciências Aplicadas e professor de ciência dos materiais e engenharia em Lehigh; e Nobumichi Tamura do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley em Berkeley, Califórnia.

p O desenvolvimento dos cristais de rede rotativa simples (RLS) segue uma descoberta relatada em março em Relatórios Científicos no qual o grupo de Lehigh demonstrou pela primeira vez que um único cristal pode crescer a partir do vidro sem derreter o vidro.

p Em um sólido cristalino típico, átomos são organizados em uma rede, uma repetição regular, ou estrutura tridimensional periódica. Quando visto de qualquer ângulo - da esquerda para a direita, para cima e para baixo, da frente para trás - uma periodicidade específica do cristal torna-se evidente. Copo, por contraste, é um material amorfo com uma estrutura atômica desordenada.

p Porque eles não têm limites de grão entre os cristais interconectados, materiais de cristal único muitas vezes possuem mecânica excepcional, propriedades ópticas e elétricas. Os monocristais dão aos diamantes seu brilho e as lâminas das turbinas a jato, sua resistência às forças mecânicas. E o único cristal de silício do qual um chip de silício é feito confere a ele propriedades de condução superiores que formam a base da microeletrônica.

p A periodicidade, ou padrão de repetição, em um único cristal de rede rotativa, disseram Jain e Dierolf, difere da periodicidade em um único cristal típico.

p "Descobrimos que quando cultivamos um cristal de vidro, "disse Jain, “a periodicidade não resulta de alguma forma. Em uma direção, parece perfeito, mas se você virar a rede e olhar para ela de um ângulo diferente, você vê que toda a estrutura está girando. "

p "Em um material de cristal único típico, "disse Dierolf, "uma vez que eu descobrir como o padrão se repete, então, se eu sei a localização precisa de um átomo, Posso prever a localização precisa de cada átomo. Isso só é possível porque os cristais individuais possuem uma ordem de longo alcance.

p "Quando cultivamos um cristal RLS de vidro, Contudo, descobrimos que a periodicidade não resulta de alguma forma. Para prever a localização de cada átomo, Preciso saber não apenas a localização precisa de um átomo em particular, mas também o ângulo de rotação da rede.

p "Assim, temos que modificar ligeiramente a definição dos livros didáticos de cristais únicos. "

p A rotação, disse Jain, ocorre na escala atômica e não afeta a forma do material de vidro. "Apenas a cadeia de átomos se curva, não todo o material. Podemos ver a curvatura da estrutura do cristal com difração de raios-X. "

p Para alcançar esta rotação, os pesquisadores aquecem uma porção muito pequena da superfície de um material de vidro sólido com um laser, o que faz com que os átomos se tornem mais flexíveis.

p "Os átomos querem se organizar em linha reta, mas o vidro ao redor não permite isso, "disse Jain." Em vez disso, o vidro, sendo completamente sólido, força a configuração dos átomos a dobrar. Os átomos se movem e tentam se organizar em uma rede cristalina, idealmente em um único cristal perfeito, mas não podem, porque o vidro impede a formação do cristal perfeito e força os átomos a se organizarem em uma rede rotacional. A beleza é que a rotação ocorre suavemente na escala do micrômetro.

p "Nosso laser impõe um grau de assimetria ao crescimento do cristal. Nós controlamos a assimetria da fonte de aquecimento para impor esse padrão de rotação aos átomos."

p A capacidade do grupo de controlar a quantidade de aquecimento é crítica para a formação da rede rotativa, disse Jain.

p "A chave para a criação da rede atômica giratória é que ela ocorre sem derreter o vidro. O derretimento permite muita liberdade de movimento atômico, o que torna impossível controlar a organização da rede.

p "Nossa maneira sutil de aquecer o vidro supera isso. Aquecemos apenas a superfície do vidro, não dentro. Isso é muito preciso, aquecimento muito localizado. Causa apenas um movimento limitado dos átomos, e nos permite controlar como a rede atômica se dobrará. "

p Redes rotativas foram observadas em certos biominerais no oceano, disseram Jain e Dierolf, e também pode ocorrer em uma escala muito pequena em alguns minerais naturais como esferulites.

p "Mas ninguém tinha feito isso em uma escala maior de forma controlada, que realizamos com a imposição assimétrica de um laser para causar a rede giratória, "disse Jain.

p "Os cientistas não foram capazes de entender esse fenômeno antes porque não podiam observá-lo em uma escala grande o suficiente. Somos o primeiro grupo a induzir isso a acontecer em uma dimensão efetivamente ilimitada com um laser."

p Jain e Dierolf e seu grupo estão planejando estudos adicionais para melhorar sua capacidade de manipular a ordem dos átomos.

p Os pesquisadores realizaram o aquecimento a laser do vidro em Lehigh e caracterizaram o vidro com difração de micro-raios-X em um síncrotron no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Eles planejam realizar uma caracterização adicional em Berkeley e com microscopia eletrônica em Lehigh.

p O projeto foi financiado por seis anos pelo Departamento de Energia dos EUA.

p "Esta é uma nova maneira de fazer monocristais, "disse Dierolf." Abre um novo campo ao criar um material com características únicas, novas propriedades. "