p (Phys.org) - Pesquisadores do MIT e da University of Central Florida (UCF) desenvolveram uma nova técnica de fabricação versátil para fazer grandes quantidades de esferas uniformes de uma ampla variedade de materiais - uma técnica que permite um controle sem precedentes sobre o design de Individual, partículas microscópicas. As partículas, incluindo complexo, esferas padronizadas, poderia encontrar usos em tudo, desde pesquisa biomédica e distribuição de medicamentos até eletrônica e processamento de materiais. p O método é uma conseqüência de uma técnica para fazer longos, fibras finas de vários materiais, desenvolvido ao longo dos últimos anos no MIT por membros do mesmo. O novo trabalho, relatado esta semana no jornal Natureza , começa fazendo fibras finas usando este método anterior, mas, em seguida, adiciona uma etapa extra de aquecimento das fibras para criar uma linha de pequenas esferas - como um colar de pérolas - dentro dessas fibras.

p A fabricação convencional de partículas esféricas microscópicas usa uma abordagem "de baixo para cima", o crescimento das esferas a partir de “sementes” ainda menores - uma abordagem que só é capaz de produzir partículas muito pequenas. Este novo método “de cima para baixo”, Contudo, pode produzir esferas tão pequenas quanto 20 nanômetros (aproximadamente o tamanho dos menores vírus conhecidos) ou tão grandes quanto dois milímetros (aproximadamente o tamanho da cabeça de um alfinete), o que significa que as partículas maiores são 100, 000 vezes maior que os menores. Mas para um determinado lote, o tamanho das esferas produzidas pode ser extremamente uniforme - muito mais do que é possível com a abordagem de baixo para cima.

p Yoel Fink, professor de ciência dos materiais e diretor do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT, cujo grupo desenvolveu o método anterior de produção de fibras multimateriais, explica que o novo método também pode produzir esferas multimateriais consistindo em diferentes camadas ou segmentos. Estruturas ainda mais complexas são possíveis, ele diz, oferecendo controle sem precedentes sobre a arquitetura e composição das partículas.

p Os usos mais prováveis ​​de curto prazo do novo processo seriam para aplicações biomédicas, diz Ayman Abouraddy, um ex-pós-doutorado no laboratório de Fink que agora é professor assistente na Faculdade de Óptica e Fotônica da UCF. “As aplicações típicas das nanopartículas hoje são para a entrega controlada de drogas, ”Diz ele. Mas com este novo processo, duas ou mais drogas diferentes - mesmo aquelas que normalmente são incompatíveis - podem ser combinadas dentro de partículas individuais, e liberado apenas uma vez que eles alcançaram seu destino pretendido no corpo.

p Mais possibilidades exóticas podem surgir mais tarde, Abouraddy acrescenta, incluindo novos “metamateriais” com propriedades ópticas avançadas que antes eram inatingíveis.

p O processo básico envolve a criação de um grande cilindro de polímero, chamado de “pré-forma, ”Contendo um núcleo de cilindro semicondutor interno que é um modelo exato ampliado da estrutura de fibra final; esta pré-forma é então aquecida até que esteja macia o suficiente para ser puxada em uma fibra fina, como caramelo. A estrutura interna da fibra, feito de materiais que amolecem na mesma temperatura, mantém a configuração interna do cilindro original.

p A fibra é então aquecida ainda mais para que o núcleo semicondutor forme um líquido, produzir uma série de gotículas esféricas discretas dentro da fibra contínua. Este mesmo fenômeno faz com que um fluxo decrescente de água de uma torneira acabe se transformando em um fluxo de gotículas, famosa capturada por Harold "Doc" Edgerton do MIT em suas imagens estroboscópicas.

p Abouraddy diz que durante uma visita a templos antigos em seu Egito natal, ele encontrou uma inscrição mostrando que, mesmo há muito tempo, as pessoas estavam cientes dessa degradação de um fluxo de água em gotículas - causada por um processo agora conhecido como instabilidade de Rayleigh.

p No novo processo de fabricação desenvolvido pela equipe de Abouraddy e Fink, essas gotículas “congelam” no lugar à medida que a fibra se solidifica; a bainha de polímero da pré-forma, então, os mantém travados no lugar até que mais tarde seja dissolvido. Isso supera outro problema com a produção tradicional de nanopartículas:a tendência de se aglutinarem.

p Em princípio, Abouraddy diz, a descoberta desse processo de formação de partículas pode ter ocorrido há muitos anos. Mas mesmo depois que os teóricos previram que tais instabilidades poderiam se formar no processo de desenho das fibras, a nova descoberta veio por acidente:Joshua Kaufman, um aluno de Abouraddy, estava tentando produzir fibras, mas seu experimento “falhou” quando a fibra continuou se quebrando em gotas.

p Abouraddy, quem sabia sobre a possibilidade teórica, reconheceu imediatamente que esta "falha" era na verdade uma descoberta importante - uma que havia escapado às tentativas anteriores simplesmente porque o processo requer uma combinação precisa de tempo, temperatura e materiais. Kaufman é o autor principal do artigo da Nature.

p “A capacidade de aproveitar e controlar a instabilidade do fluido passageiro dentro de uma fibra tem implicações profundas para dispositivos futuros, ”Fink diz, e pode levar a uma ampla variedade de usos. Embora o grupo tenha demonstrado a produção de partículas de "bola de praia" de seis segmentos, em princípio, estruturas muito mais complexas, feito de uma variedade de materiais, também deve ser possível, ele diz. Qualquer material que pudesse ser transformado em uma fibra poderia agora, em princípio, ser transformado em uma pequena partícula.

p O trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e o Escritório de Pesquisa do Exército por meio do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT.