Um novo estudo colaborativo liderado por uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, Universidade da Califórnia, Los Angeles e a Universidade de Washington podem fornecer aos engenheiros novas regras de design para a criação de microeletrônica, membranas e tecidos, e abrir melhores métodos de produção para novos materiais. Ao mesmo tempo, a pesquisa, publicado online em 6 de dezembro no jornal Ciência , ajuda a defender uma teoria científica que permaneceu sem comprovação por mais de um século.

Assim como as crianças seguem a regra de alinhar uma única fila após o recesso, alguns materiais usam uma regra subjacente para montar em superfícies uma linha de cada vez, de acordo com o estudo.

Nucleação - a primeira etapa de formação - é difundida em estruturas ordenadas em toda a natureza e tecnologia, de gotículas de nuvem a balas. No entanto, apesar de algumas previsões feitas na década de 1870 pelo cientista americano J. Willard Gibbs, pesquisadores ainda estão debatendo como esse processo básico acontece.

O novo estudo verifica a teoria de Gibbs para materiais que formam fileira por fileira. Liderado pelo estudante de graduação da UW Jiajun Chen, trabalhando na PNNL, a pesquisa descobre o mecanismo subjacente, que preenche uma lacuna de conhecimento fundamental e abre novos caminhos na ciência dos materiais.

Chen usou pequenos fragmentos de proteínas chamados peptídeos que mostram especificidade, ou pertença única, a uma superfície material. Os colaboradores da UCLA têm identificado e usando esses peptídeos específicos de materiais como agentes de controle para forçar os nanomateriais a crescer em certas formas, tais como aqueles desejados em reações catalíticas ou dispositivos semicondutores. A equipe de pesquisa fez a descoberta enquanto investigava como um determinado peptídeo - um com forte afinidade de ligação para o dissulfeto de molibdênio - interage com o material.

"Foi um acaso total, "disse o cientista de materiais do PNNL James De Yoreo, co-autor do artigo e orientador de doutorado de Chen. "Não esperávamos que os peptídeos se reunissem em suas próprias estruturas altamente ordenadas."

Isso pode ter acontecido porque "este peptídeo foi identificado a partir de um processo de evolução molecular, "adiciona o co-autor correspondente Yu Huang, professor de ciência de materiais e engenharia na UCLA. "Parece que a natureza encontra seu caminho para minimizar o consumo de energia e fazer maravilhas."

A transformação da água líquida em gelo sólido requer a criação de uma interface sólido-líquido. De acordo com a teoria clássica de nucleação de Gibbs, embora transformar a água em gelo economize energia, a criação da interface custa energia. A parte complicada é o começo - é quando a área de superfície da nova partícula de gelo é grande em comparação com seu volume, portanto, fazer uma partícula de gelo custa mais energia do que o economizado.

A teoria de Gibbs prevê que se os materiais podem crescer em uma dimensão, significando linha por linha, tal penalidade de energia não existiria. Assim, os materiais podem evitar o que os cientistas chamam de barreira de nucleação e são livres para se automontar.

Recentemente, houve controvérsia sobre a teoria da nucleação. Alguns pesquisadores encontraram evidências de que o processo fundamental é na verdade mais complexo do que o proposto no modelo de Gibbs.

Mas "este estudo mostra que certamente há casos em que a teoria de Gibbs funciona bem, "disse De Yoreo, que também é professor afiliado da UW de química e ciência e engenharia de materiais.

Estudos anteriores já haviam mostrado que algumas moléculas orgânicas, incluindo peptídeos como os do artigo da Science, pode se auto-montar em superfícies. Mas no PNNL, De Yoreo e sua equipe cavaram mais fundo e encontraram uma maneira de entender como as interações moleculares com os materiais afetam sua nucleação e crescimento.

Eles expuseram a solução de peptídeo a superfícies frescas de um substrato de dissulfeto de molibdênio, medindo as interações com microscopia de força atômica. Em seguida, eles compararam as medições com simulações de dinâmica molecular.

De Yoreo e sua equipe determinaram que, mesmo nos estágios iniciais, os peptídeos ligados ao material uma linha de cada vez, sem barreiras, assim como a teoria de Gibbs prevê.

A alta velocidade de imagem da microscopia de força atômica permitiu aos pesquisadores ver as linhas exatamente como elas estavam se formando. Os resultados mostraram que as linhas foram ordenadas desde o início e cresceram na mesma velocidade, independentemente de seu tamanho - uma evidência-chave. Eles também formaram novas fileiras assim que o peptídeo suficiente estava na solução para as fileiras existentes crescerem; isso só aconteceria se a formação de fileiras não tivesse barreiras.

Este processo linha por linha fornece pistas para o design de materiais 2-D. Atualmente, para formar certas formas, designers às vezes precisam colocar sistemas muito fora de equilíbrio, ou equilíbrio. Isso é difícil de controlar, disse De Yoreo.

"Mas em 1-D, a dificuldade de fazer as coisas se formarem em uma estrutura ordenada vai embora, "De Yoreo acrescentou." Então você pode operar bem perto do equilíbrio e ainda aumentar essas estruturas sem perder o controle do sistema. "

Isso poderia mudar os caminhos de montagem para os microeletrônicos de engenharia ou até mesmo os tecidos corporais.

A equipe de Huang na UCLA demonstrou novas oportunidades para dispositivos baseados em materiais 2-D montados por meio de interações em solução. Mas ela disse que os processos manuais atuais usados ​​para construir esses materiais têm limitações, incluindo recursos de aumento de escala.

"Agora, com o novo entendimento, podemos começar a explorar as interações específicas entre moléculas e materiais 2-D para processos de montagem automatizados, "disse Huang.

O próximo passo, disse De Yoreo, é fazer moléculas artificiais que têm as mesmas propriedades dos peptídeos estudados no novo artigo - só que mais robustas.

No PNNL, De Yoreo e sua equipe estão procurando peptoides estáveis, que são tão fáceis de sintetizar quanto os peptídeos, mas podem lidar melhor com as temperaturas e os produtos químicos usados ​​nos processos para construir os materiais desejados.