(Phys.org) —Em um artigo publicado recentemente em Materiais da Natureza , uma equipe de pesquisadores que inclui William T.M. Irvine, professor assistente de física na Universidade de Chicago, conseguiu criar um defeito na estrutura de um cristal de camada única simplesmente inserindo uma partícula extra, e então observando enquanto o cristal "cura" a si mesmo. O truque para essa propriedade de autocura é que o cristal, uma matriz de partículas microscópicas, deve ser curvado.

Este efeito, que carrega implicações importantes para melhorar a condutividade da eletrônica e outros domínios da ciência dos materiais, foi previsto há seis anos pelo físico Mark Bowick, da Syracuse University, junto com David Nelson, Homin Shin e Alex Travesset, em pesquisa apoiada pela National Science Foundation. A NSF também financiou o novo estudo.

A fim de provar sua previsão experimentalmente, Bowick procurou Paul M. Chaikin do Center for Soft Matter Research da New York University. Chaikin pediu a ajuda de Irvine enquanto ele era um cientista de pós-doutorado que trabalhava no laboratório de Chaikin.

Todos os três pesquisadores se especializam no ramo da ciência dos materiais, denominado "matéria mole, "que estuda uma ampla gama de substâncias semissólidas, como géis, espumas e cristais líquidos.

DE MATÉRIA MACIA E MOLHO DE SALADA

Bowick descreveu as microemulsões de matéria mole com as quais trabalha como sendo semelhantes a um molho de rancho à base de maionese.

"A maionese é feita de uma mistura de azeite e vinagre (que é essencialmente água), "ele explicou." Você tem que bater os ingredientes por um longo tempo para dispersar minúsculas gotículas de vinagre no óleo para fazer uma emulsão. "Mas manter tantas gotículas misturadas uniformemente em todo o óleo requer a presença de um surfactante, um estabilizador que fica igualmente satisfeito tanto no óleo quanto na água.

"No molho de rancho, o surfactante usado são partículas de sementes de mostarda moídas, que se organizam na interface entre a água e o óleo, "Bowick disse." As partículas do grão de mostarda se acumulam na superfície das gotas de água. "

Para estudar cristais curvos, os pesquisadores emularam o curativo ao adicionar partículas microscópicas de acrílico a uma emulsão de gotículas de glicerol, misturado em uma base de óleo.

Como a semente de mostarda, as partículas de vidro se acumulam naturalmente na superfície de gotículas de glicerol individuais. Dependendo do experimento, algo entre 100 e 10, 000 partículas revestem cada gota.

As cargas elétricas positivas das partículas se repelem, fazendo com que eles se organizem naturalmente em um padrão de favo de mel, com cada partícula igualmente distante de seis outras.

CRISTAIS ASSUSTADORES

O padrão regular de seis lados não se encaixa perfeitamente em torno da gota esférica, da mesma forma que embrulhar uma bola de futebol para presente não resulta em uma cobertura de papel perfeitamente plana. Assim como o papel enruga ao moldá-lo à superfície da bola, o padrão de cristal curvo gera 12 defeitos, ou cicatrizes, espaçados uniformemente em torno da esfera.

O número e a localização dessas cicatrizes é uma propriedade estrutural fundamental prescrita pela geometria da esfera. Um padrão semelhante pode ser visto na capa de couro da bola de futebol, que requer 12 pentágonos de cinco lados (defeitos) uniformemente espaçados dentro de um padrão geral de seis lados.

Bowick foi um membro da equipe que originalmente descobriu essa propriedade de 12 cicatrizes de cristais curvos em 2003. Depois disso, ele se perguntou o que aconteceria se eles adicionassem uma partícula extra, chamado de intersticial, bem no meio do cristal.

"Mesmo que as partículas tenham se auto-organizado em um padrão de cristal, eles ainda estão livres para se mexer dentro dessa estrutura, "Bowick disse." Você esperaria que uma partícula adicional simplesmente empurrasse as outras ligeiramente e se acomodasse no lugar, como faria em uma superfície plana. "

O resultado seria um padrão defeituoso contendo uma área de formas de sete e cinco lados, em vez dos hexágonos regulares de seis lados. Mas o que Bowick e colegas previram usando modelos de computador é que em uma superfície curva, uma partícula extra adicionada a meio caminho entre duas cicatrizes criaria um defeito no padrão que se divide em duas partes.

Eles calcularam que a tensão na estrutura cristalina causada por esses dois defeitos "fluiria" para longe do local, como ondulações em uma lagoa, à medida que as partículas reajustam suas distâncias umas das outras. Eventualmente, os defeitos migrariam para cicatrizes opostas, onde eles iriam desaparecer.

Surpreendentemente, os cientistas previram que a massa da partícula original permaneceria perto de onde foi colocada, and large areas of the hexagonal pattern would have rotated slightly ­— about 30 degrees. But the original defect would be gone.

To prove this remarkable result experimentally, Contudo, required a special instrument.

MAKING IT WORK

"William Irvine had already begun his beautiful experiments in my lab on colloidal crystals on curved surfaces, " recalled NYU's Chaikin. "The present study came from a conversation that Mark Bowick and I had on a plane coming back from a meeting several years ago. Mark's experiment was a natural extension of William's work."

"For this project, we had to figure out how to add a particle to the curved crystal, while imaging the particles as they shift around in three-dimensional space, " explained Irvine, who is now at UChicago's James Franck Institute. "This makes the experiment considerably more complicated."

Irvine planned to use optical tweezers to grab a microscopic particle from the surrounding emulsion and place it on the surface of a droplet using radiation pressure from a focused laser beam.

"In most experiments, you come in with the laser 'tweezers' using the same lens as you use for imaging the particle, and that's great, because you want to focus the beam on the same plane where you're looking, " Irvine said.

But for this experiment, the laser tweezers and the microscope had to be separated.

"A confocal microscope selects a very thin slice of the object to be imaged, so that one slice is in focus and the rest of the image (before and after) is out of focus, like a photo of a person with their face in focus and the background blurred, " he explained. "In order to create a full three-dimensional image, you move the objective up and down and bring the different slices into focus one at a time."

But moving the lens also moves the laser beam holding the particle.

"In order to hold onto a particle and watch what happens as you gradually bring it to the surface of the droplet, you have to essentially build a second microscope on top of the first one, " Irvine said. "Technically, that's not trivial—you have to get a lot of things to work at the same time."

But once Irvine had designed and built the instrument, the team tested Bowick's predictions and actually created video images showing the defects moving across the crystal surface and disappearing into the scars.

SELF-HEALING GRAPHENE

"The study of crystals on curved surfaces is interesting and important for systems that range from geodesic domes to viruses to Buckyballs, " said Chaikin, referring to symmetric molecules of carbon. "The defect structure and the 'healing' of defects are particularly important in the conductivity, heat and mechanical properties of carbon nanotubes, graphene and similar materials."

Grafeno, a two-dimensional sheet of carbon molecules, is a very strong material and a good conductor of electricity.

"There are always going to be defects that will decrease the conductivity of graphene, " said Bowick. "Ultimately, for electronic devices, you want graphene with high conductivity and as pure as possible."

And that's where the researchers' discovery could prove an ideal solution. "You might be able to simply flex a piece of graphene, remove the defects, and improve the conductivity, " Bowick said.