p Como dois ímãs sendo puxados um em direção ao outro, cristais minúsculos se torcem, alinhar e bater um no outro, mas devido a uma força totalmente diferente. Pela primeira vez, pesquisadores mediram a força que os aproxima e visualizaram como eles giram e se alinham. p Chamadas forças de van der Waals, a atração fornece insights sobre como os cristais se montam, uma atividade que ocorre em uma ampla gama de casos na natureza, das rochas às conchas aos ossos.

p "É provocativo no sentido de que, a partir desses tipos de medidas, pode-se construir um modelo de montagem 3-D, com partículas se ligando umas às outras de maneiras selecionadas, como tijolos de Lego, "disse o químico Kevin Rosso, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia." Os cristais estão em quase toda a natureza, e este trabalho nos ajudará a tirar proveito dessas forças ao projetar novos materiais. "

p Força de fusão

p Os cristais formam estruturas de suporte em uma variedade de materiais naturais e sintéticos. Cristais maiores podem se formar a partir de cristais menores. Embora geralmente em formato de cubos, os cristais têm vários lados diferentes, alguns dos quais combinam bem uns com os outros e outros que não. Quando os lados correspondentes são orientados corretamente, cristais podem se fundir perfeitamente, crescendo cada vez mais.

p Mas o que faz os cristais chegarem perto o suficiente para se fundir em primeiro lugar, e eles podem se auto-alinhar? Muitos tipos de forças foram sugeridos ao longo dos anos, mas as ferramentas para restringir as corretas não existiam.

p Agora, Rosso e equipes do PNNL, EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um DOE Office of Science User Facility no PNNL, e a Universidade de Pittsburgh desenvolveram uma nova abordagem combinando um microscópio eletrônico de transmissão ambiental, chamado de ETEM, com sondas de força nanocristais que permitem aos cientistas observar a interação dos cristais em uma situação semelhante à da vida. Pós-doutorado em PNNL químico Xin Zhang e usuário EMSL Yang He, um Ph.D. estudante da Universidade de Pittsburgh, utilizou recursos dentro do EMSL para examinar como os cristais de óxido de titânio se acoplam.

p Para entender seu experimento, imagine segurar dois ímãs e movê-los um em direção ao outro. Quando eles estão tão próximos que a força atrativa supera o esforço que você está usando para mantê-los separados, eles vão pular juntos. A equipe PNNL fez isso, mas em uma escala muito menor e com uma força que não é magnetismo.

p Um pequeno salto

p A equipe precisava usar cristais muito pequenos que não superassem as forças fracas que esperavam ver. Eles anexaram cristais de óxido de titânio cem a mil vezes mais finos do que um fio de cabelo humano (dependendo do cabelo) em ambos os lados de um instrumento que mede a força. A equipe então moveu os cristais um em direção ao outro, torcida em vários ângulos diferentes entre eles, até que os dois se encaixaram.

p A equipe também separou os cristais e mediu a quantidade de força necessária. Essas medições permitiram aos pesquisadores caracterizar a força em detalhes. Existem vários tipos diferentes de forças que funcionam para objetos deste tamanho, e, com análises adicionais, a equipe concluiu que forças chamadas de van der Waals eram as que estavam em ação, causando o autoalinhamento.

p E uma reviravolta

p Além disso, eles queriam dar um rosto a um nome, em uma maneira de falar, de uma previsão teórica das forças de van der Waals feita na década de 1970. A teoria permitiu aos cientistas calcular o torque entre os cristais que estão sendo torcidos em relação uns aos outros (imagine girar uma baguete para puxar um pedaço de pão) com base no ângulo entre eles.

p Portanto, a equipe também mediu a força entre dois cristais mantidos a uma distância constante um do outro, mas torcidos em direções opostas um do outro. A física computacional coautora Maria Sushko comparou os dados com as previsões feitas pela teoria e mostrou que ela se sustentava.

p "Esta é a primeira medida e prova de que a força depende de como os cristais são girados em relação uns aos outros, o que chamamos de dependente de rotação, "disse Rosso." Se eles são rotacionalmente dependentes, isso implica que essa força contribuirá para o alinhamento de cristais livres que colidem em um ambiente líquido, por exemplo, aumentando a taxa de aderência bem-sucedida. "

p Além disso, provar a conexão significa que será mais fácil determinar tais forças de atração para cristais feitos de materiais diferentes, como o carbonato de cálcio encontrado nas conchas do mar. Os cientistas serão capazes de determinar essas forças ligando os números a uma equação, em vez de refazer todos os experimentos.

p O estudo é publicado em Ciência .