Os pesquisadores do Berkeley Lab relataram a primeira observação direta de nanopartículas submetidas a fixação orientada, a etapa crítica na biomineralização e no crescimento dos nanocristais. Uma melhor compreensão da fixação orientada em nanopartículas é a chave para sintetizar novos materiais com propriedades estruturais notáveis.

Por meio da biomineralização, a natureza é capaz de produzir maravilhas da engenharia como a madrepérola, ou nácar, o forro interno de conchas de abalone conhecido por sua beleza iridescente e incrível resistência. A chave para a biomineralização é o fenômeno conhecido como "apego orientado, "por meio do qual nanopartículas adjacentes se conectam umas às outras em uma orientação cristalográfica comum. Embora a importância do apego orientado às propriedades biominerais tenha sido reconhecida há muito tempo, o mecanismo pelo qual isso ocorre permanece um mistério. Com uma melhor compreensão da fixação orientada, deve ser possível sintetizar novos materiais com propriedades estruturais notáveis. Para esse fim, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Berkeley Lab) relatou a primeira observação direta do que eles denominaram "jump-to-contact, "a etapa crítica do apego orientado.

"A observação direta das acelerações translacionais e rotacionais associadas ao salto para contato entre as nanopartículas nos permitiu calcular as forças que impulsionam o apego orientado, "disse Jim DeYoreo, um cientista da Fundição Molecular, um centro de nanociências DOE no Berkeley Lab onde esta pesquisa foi realizada. "Isso nos dá uma base para testar modelos e simulações que podem abrir a porta para o uso de fixação orientada na síntese de novos materiais exclusivos."

DeYoreo é o autor correspondente de um artigo na revista Ciência que descreve esta pesquisa intitulada "As interações específicas da direção controlam o crescimento do cristal por fixação orientada." Dongsheng Li foi coautor deste artigo, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen e Jillian Banfield.

Desde que um estudo em 2000 liderado pelo co-autor Banfield revelou a existência de ligação orientada a nanopartículas, tornou-se amplamente reconhecido que o fenômeno é um mecanismo importante de crescimento de cristais em muitos materiais naturais e biomiméticos, bem como na síntese de nanofios.

"Esses sistemas nanocristais costumam exibir formas complexas que vão desde cadeias quase unidimensionais a superestruturas hierárquicas tridimensionais, mas normalmente difratam como um único cristal, implicando que as partículas primárias sofreram alinhamento durante o crescimento, "diz Li, primeiro autor do artigo da Science e membro do grupo de pesquisa de DeYoreo. "Quando o alinhamento das partículas é acompanhado por coalescência, este crescimento é caracterizado como apego orientado, Contudo, a via pela qual as nanopartículas se alinham e se fixam foi mal compreendida. "

Para aprender mais sobre as interações e forças que impulsionam o apego orientado, os pesquisadores de Berkeley estudaram o crescimento inicial de cristais de nanopartículas de óxido de ferro. Os óxidos de ferro são abundantes na crosta terrestre e desempenham um papel importante nos processos biogeoquímicos que moldam os ambientes próximos à superfície. Usando uma célula de silício líquido montada em um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução na Fundição Molecular, a equipe de pesquisa gravou imagens com resolução suficiente para rastrear as orientações das nanopartículas ao longo do crescimento dos cristais.

"Observamos as partículas passando por rotação e interação contínuas até encontrarem uma correspondência de rede perfeita, ponto em que um salto repentino para contato ocorreu a uma distância de menos de um nanômetro, "DeYoreo diz." Este salto para contato é seguido por adições átomo por átomo laterais iniciadas no ponto de contato. As acelerações translacionais e rotacionais medidas mostram que, interações altamente específicas de direção impulsionam o crescimento do cristal por meio de fixação orientada. "

As informações obtidas com esta investigação sobre a fixação orientada de nanopartículas de óxido de ferro devem ser aplicáveis ​​não apenas à futura síntese de materiais biomiméticos, mas também aos esforços de restauração ambiental. Os cientistas agora sabem que a mineralização em ambientes naturais freqüentemente ocorre por meio de eventos de fixação de partícula-partícula e desempenha um papel importante no sequestro de contaminantes. Compreender as forças por trás da fixação orientada também deve promover o desenvolvimento de nanofios semicondutores ramificados ou semelhantes a árvores, estruturas nas quais um ou mais nanofios secundários crescem radialmente a partir de um nanofio primário.

"Nanofios semicondutores ramificados estão sendo buscados para aplicações em fotocatálise, fotovoltaica e nanoeletrônica por causa de suas grandes áreas de superfície, pequenos diâmetros, e capacidade de formar junções naturais, "DeYoreo diz." Uma compreensão dos mecanismos subjacentes que controlam a ramificação dos nanofios deve ajudar os cientistas de materiais a desenvolver estratégias mais eficazes para a produção desses materiais. "