Cientistas da Universidade de Bristol têm, pela primeira vez, observaram a formação de um gel de cristal com resolução em nível de partícula, permitindo-lhes estudar as condições pelas quais esses novos materiais se formam.

O estudo mostrou que o mecanismo de crescimento do cristal segue as mesmas estratégias pelas quais os cristais de gelo crescem nas nuvens, uma analogia que poderia melhorar nossa compreensão desses processos fundamentais

Além disso, este novo mecanismo permitiu à equipe de pesquisa formar espontaneamente cristais nanoporosos semelhantes a esponjas em um processo contínuo.

Cristais nanoporosos de metais e semicondutores podem ser obtidos sem desalojar, que pode ser importante para catalítico, óptico, de detecção, e aplicações de filtração.

O trabalho é uma colaboração entre a Universidade de Tóquio (onde os experimentos foram realizados), Bristol e o Institute Lumiere Matiere em Lyon, França.

Os resultados foram publicados hoje no jornal, Materiais da Natureza .

Dr. John Russo, da Escola de Matemática da Universidade de Bristol e co-autor do artigo de pesquisa, disse:"Em particular, observamos alguns novos mecanismos de formação.

"Descobrimos que, para obter essas estruturas de cristal-gel, a estrutura do gel original deve passar por uma reorganização estrutural, em que as ligações entre as partículas coloidais são quebradas para liberar o estresse interno que foi acumulado durante o rápido crescimento do gel - um processo chamado envelhecimento conduzido pelo estresse.

"Depois disto, observamos que a forma como os ramos do gel se cristalizam lembra o processo pelo qual as gotículas de água se cristalizam nas nuvens. Pudemos então observar processos que promovem a cristalização por meio de uma fase gasosa intermediária.

"Esta é a primeira vez que esses processos fundamentais são observados em uma resolução de nível de partícula, o que nos dá uma visão sem precedentes sobre como o processo ocorre. "

O artigo relata experimentos em uma fase fora de equilíbrio da matéria que é obtida pela mistura de partículas coloidais de tamanho de micronímetro, com cadeias curtas de polímero em um bom solvente.

O papel dos polímeros é induzir uma atração efetiva entre as partículas coloidais, devido a um efeito físico chamado esgotamento, cuja origem é puramente entrópica.

No início do experimento, as partículas coloidais se repelem devido à repulsão eletrostática. A fim de induzir a atração de depleção entre coloides, a amostra é colocada em contato com uma solução salina por meio de uma membrana semipermeável.

À medida que o sal se difunde através da membrana semipermeável, ele filtra a repulsão eletrostática entre as partículas coloidais, que então começam a agregar.

Todo o processo de agregação é observado com um microscópio confocal, que faz varreduras rápidas da amostra em diferentes alturas, para que os pesquisadores possam reconstruir as coordenadas das partículas coloidais com análise de imagens, e estude como essas partículas se movem ao longo de várias horas.

Se a concentração de polímero for alta, o sistema formará um gel - um estado desordenado no qual as partículas coloidais se agregam para formar ramos interconectados que abrangem todo o sistema, e que dão rigidez à estrutura.

O Dr. Russo acrescentou:"O que demonstramos, em vez de, é que se ajustarmos a concentração de polímero no valor correto (próximo ao que é chamado de ponto crítico), o sistema não formará um tipo diferente de gel, em que as partículas coloidais cristalizam em toda a estrutura do gel, dando origem a um material poroso feito de ramos cristalinos. "