Quando o cientista israelense Daniel Shechtman viu pela primeira vez um quasicristal através de seu microscópio em 1982, ele supostamente pensou consigo mesmo, "Eyn chaya kazo" - hebraico para, "Não pode haver tal criatura."

Mas existe, e o quasicrystal se tornou um assunto de muitas pesquisas nos 35 anos desde a descoberta do Prêmio Nobel de Shechtman. O que torna os quasicristais tão interessantes? Sua estrutura incomum:átomos em quasicristais são organizados de maneira ordenada, mas não periódica, ao contrário da maioria dos cristais, que são constituídos por uma estrutura tridimensional, arranjo ordenado e periódico (repetitivo) de átomos.

O laboratório de Uli Wiesner, o Spencer T. Olin Professor de Engenharia do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) da Cornell University, juntou-se a cientistas que buscam esta área de estudo relativamente nova. E muito parecido com Shechtman, que descobriu quasicristais enquanto estudava os padrões de difração de cristais de alumínio-manganês, Wiesner descobriu quasicristais um pouco por acidente.

Enquanto trabalhava com nanopartículas de sílica - a partir das quais os pontos Cornell patenteados do laboratório Wiesner (ou pontos C) são feitos - um de seus alunos se deparou com uma estrutura de sílica incomum, não periódica, mas ordenada, dirigido por auto-montagem induzida quimicamente de grupos de moléculas, ou micelas.

"Pela primeira vez, vemos esta estrutura [quasicristal] em nanopartículas, que nunca tinha sido visto antes, até onde sabemos, "disse Wiesner, cuja equipe de pesquisa conduziu centenas de experimentos para capturar a formação dessas estruturas nos estágios iniciais de seu desenvolvimento.

Seu trabalho resultou em um artigo, "Formation Pathways of Mesoporous Silica Nanoparticles With Dodecagonal Tiling, "publicado em 15 de agosto em Nature Communications . Os autores principais são o ex-aluno de doutorado do MSE Yao Sun, atual pós-doutorado Kai Ma e estudante de doutorado Teresa Kao. Outros contribuidores incluíram Lena Kourkoutis, professor assistente de física aplicada e engenharia; Veit Elser, professor de física; e a pós-graduação Katherine Spoth, Hiroaki Sai e Duhan Zhang.

Para estudar a evolução de quasicristais de nanopartículas de sílica, a melhor solução seria fazer um vídeo do processo de crescimento, mas isso nao era possivel, Wiesner disse.

"As estruturas são tão pequenas, você só pode vê-los através de um microscópio eletrônico, "disse ele." A sílica se degrada sob o feixe de elétrons, então, olhar para uma partícula por um longo período de tempo não é possível. "

A solução? Faça muitos experimentos, parando o processo de crescimento dos quasicristais em vários pontos, imagem com microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparar os resultados com simulações de computador, conduzido por Kao. Esta imagem, feito por Sun e Ma, deu à equipe uma espécie de lapso de tempo no processo de crescimento quasicristal, que eles podem controlar de várias maneiras diferentes.

Uma maneira era variar a concentração do composto químico mesitileno, também conhecido como TMB, um expansor de poro. A imagem, incluindo cryo-TEM realizado por Spoth, mostrou que à medida que a concentração de TMB aumentou, as micelas tornaram-se maiores e mais heterogêneas. A adição de TMB induziu quatro mudanças na estrutura de nanopartículas mesoporosas, começando como um hexagonal e terminando como um quasicristal dodecagonal (12 lados).

"Quanto mais TMB adicionamos, quanto mais ampla a distribuição do tamanho dos poros, "Wiesner disse, "e isso perturba a formação do cristal e leva aos quasicristais."

A outra forma de fazer essas estruturas evoluir é mecânica. Começando com uma estrutura de cristal hexagonal, a equipe descobriu que simplesmente agitando a solução com mais e mais vigor, eles introduziram um distúrbio que também mudou a distribuição do tamanho da micela e desencadeou as mesmas mudanças estruturais "até o quasicristal, "Wiesner disse.

Muitas das descobertas neste trabalho foram "serendipidades, "Wiesner disse, o resultado de "centenas e centenas" de experimentos de crescimento conduzidos pelos alunos.

Quanto mais conhecimento adquirido sobre a formação inicial dessas partículas únicas, melhor será sua compreensão das nanopartículas de sílica, que estão no centro do trabalho de seu grupo com pontos Cornell.

"À medida que as técnicas se tornam melhores, a capacidade de ver pequenas estruturas e entender melhor seus mecanismos de montagem está melhorando, "disse ele." E o que quer que nos ajude a entender essas etapas iniciais de formação nos ajudará a projetar materiais melhores no final. "