Enfiar vários pares de sapatos em uma mala de férias, torcê-los e lançá-los em diferentes arranjos para caber em cada par necessário, é um problema de otimização familiar enfrentado por viajantes atormentados. Esse mesmo problema é bem conhecido pelos engenheiros – quando dados vários objetos com uma forma específica, como eles podem ser embalados em um recipiente? E qual padrão essa embalagem formará?
Ao contrário do conteúdo de uma mala, a maneira como as partículas microscópicas são empacotadas pode ser usada para projetar as características dos materiais que elas formam; por exemplo, como a luz ou a eletricidade viajam. Os cientistas de materiais estudam há muito tempo como a montagem de partículas em um espaço confinado pode ser usada como uma ferramenta para dar novas habilidades aos materiais, mas como as partículas com formas únicas interagem com uma barreira ainda é pouco compreendida.

Um novo estudo realizado por pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Cornell usou simulações de computador para mostrar como a montagem de tetraedros truncados por vértices – uma forma de partícula que tem quatro faces hexagonais e quatro faces triangulares – é afetada quando confinada dentro de um recipiente esférico. As descobertas, publicadas na revista Soft Matter , oferecem aos cientistas de materiais um novo método para controlar a estrutura de montagem e as características do material resultante.

“Costumava ser que os teóricos faziam principalmente simulações com esferas porque a maioria das partículas é aproximadamente esférica, e computacionalmente isso era mais fácil”, disse Rachael Skye, estudante de doutorado e primeira autora do estudo, “mas os experimentalistas continuam apresentando maneiras interessantes de controlam a forma e agora podem fazer partículas coloidais como tetraedros, octaedros ou cubos. Com poder computacional avançado, podemos simular essas formas, mas também ir mais longe e prever o que novas partículas ainda não sintetizadas podem fazer."

Para ajudar a preencher a lacuna de conhecimento sobre como essas formas de partículas se reúnem em confinamento, Skye e a autora sênior do estudo, Julia Dshemuchadse, professora assistente de ciência e engenharia de materiais, simularam conjuntos de partículas tetraédricas em recipientes esféricos. Cada um continha apenas quatro partículas e até 10.000. Em cada simulação, o recipiente encolheria o máximo possível com o número programado de partículas dentro dele.

"Esta simulação está imitando como alguns materiais coloidais são produzidos, com partículas colocadas dentro de uma gota de líquido que se contrai à medida que evapora", disse Dshemuchadse.

Essas partículas podem se encaixar de várias maneiras, mas existem dois motivos distintos:alinhados, com faces hexagonais adjacentes, ou antialinhados, com uma face hexagonal adjacente a uma triangular. Cada motivo conduz uma estrutura geral que se adapta às bordas dos contêineres de maneira diferente.

"Se você tem essas partículas anti-alinhadas, então você pode formar camadas planas muito bem e empilhar infinitamente largas, fazendo um cristal muito bom", disse Dshemuchadse, que acrescentou que esse motivo é favorecido ao simular um grande número de partículas porque o recipiente maior tamanho tem curvatura menor, "mas se você tiver as partículas alinhadas, a estrutura pode formar um motivo curvo que se encaixa melhor em uma concha esférica. Em pequenas quantidades de partículas, o motivo alinhado é favorecido porque os recipientes menores têm grandes curvaturas".

As descobertas fornecem aos cientistas de materiais um método para cultivar grandes cristais em sistemas de partículas que normalmente não se agrupam em estruturas ordenadas. Outros métodos para obter um cristal bem ordenado envolvem técnicas como "semeadura" do material com partículas restritas em orientações especializadas que conduzem a estrutura correspondente, mas tais métodos exigem a fabricação de novos tipos de partículas, o que seria menos direto em uma realização experimental de esses sistemas. Em contraste, formar cristais em um substrato plano costuma ser a norma, e este estudo aponta como essa técnica pode beneficiar a estrutura resultante.

"Cristais coloidais tendem a ser pequenos e cheios de defeitos, mas para serem úteis na maioria das aplicações, eles precisam ser bastante grandes e livres de defeitos", disse Skye. "A ideia é que, escolhendo corretamente o seu recipiente ou parede, você possa fazer um cristal muito maior e de melhor qualidade do que você faria de outra forma."

Skye acrescentou que em campos como plasmônica e fotônica, essa técnica de montagem pode ser usada para orientar a mesma partícula de duas maneiras diferentes, permitindo que os engenheiros criem dispositivos que tenham respostas diferentes com base na formação de montagem escolhida. + Explorar mais

A construção de baixo para cima com uma torção 2D pode produzir novos materiais