Nanocientistas líderes criaram lindos, padrões lado a lado com nanocristais planos, mas eles ficaram com um mistério:Por que alguns conjuntos de cristais se organizam de forma alternada, estilo espinha de peixe? Descobrir, eles se voltaram para especialistas em simulação de computador na Universidade de Michigan e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

O resultado dá aos pesquisadores da nanotecnologia uma nova ferramenta para controlar como objetos com um milionésimo do tamanho de um grão de areia se organizam em materiais úteis - e um meio para descobrir o resto do baú de ferramentas. Um artigo sobre a pesquisa foi publicado online em 12 de maio em Química da Natureza .

"A emoção nisso não está no padrão espinha de peixe, é sobre o acoplamento de experimento e modelagem, e como essa abordagem nos permite enfrentar um problema muito difícil, "disse Christopher Murray, o professor da Universidade Richard Perry e professor de química da Universidade da Pensilvânia.

O grupo de Murray é conhecido por fazer nanocristais e organizá-los em superestruturas de cristal maiores.

Em última análise, pesquisadores querem modificar patches em nanopartículas de maneiras diferentes para induzi-los a padrões mais complexos. O objetivo é um método que permitirá às pessoas imaginar o que gostariam de fazer e, em seguida, projetar um material com as propriedades certas para o trabalho.

"Por meio de interações de engenharia em nanoescala, podemos começar a montar estruturas alvo de grande complexidade e funcionalidade na macroescala, "disse Sharon Glotzer da U-M, o Stuart W. Churchill Professor Colegiado de Engenharia Química.

Glotzer introduziu o conceito de "patchiness" de nanopartículas em 2004. Seu grupo usa simulações de computador para entender e projetar os patches.

Recentemente, A equipe de Murray fez padrões com nanocristais planos feitos de metais pesados, conhecido pelos químicos como lantanídeos, e átomos de flúor. Os lantanídeos têm propriedades valiosas para energia solar e imagens médicas, como a capacidade de converter entre luz de alta e baixa energia.

Eles começaram quebrando produtos químicos contendo átomos de um metal lantanídeo e flúor em uma solução, e o lantanídeo e o flúor naturalmente começaram a formar cristais. Também na mistura estavam cadeias de carbono e hidrogênio que grudaram nas laterais dos cristais, parando seu crescimento em tamanhos de cerca de 100 nanômetros, ou 100 milionésimos de milímetro, nas maiores dimensões. Ao usar lantanídeos com diferentes raios atômicos, eles podiam controlar as faces superior e inferior dos cristais hexagonais para serem em qualquer lugar de muito mais do que os outros quatro lados a inexistentes, resultando em uma forma de diamante.

Para formar padrões de ladrilhos, a equipe espalhou uma fina camada de nanocristais e solvente sobre um fluido espesso. Conforme o solvente evaporou, os cristais tinham menos espaço disponível, e eles começaram a fazer as malas juntos.

As formas do diamante e os hexágonos muito longos alinhados como esperado, os diamantes formando uma grade de estilo Argyle e os hexágonos combinando suas bordas mais longas como um favo de mel encurtado. Os hexágonos cujos lados eram quase do mesmo comprimento deveriam ter formado um padrão de favo de mel comprimido semelhante, mas ao invés, eles se alinharam de forma mais complicada, estilo de espinha de peixe alternado.

"Sempre que vemos algo que não está seguindo o padrão mais simples possível, temos que perguntar por que, "Murray disse.

Eles colocaram a questão para a equipe de Glotzer.

"Eles são líderes mundiais na compreensão de como essas formas podem funcionar em escalas nanométricas, e não há muitos grupos que podem fazer os cristais que fazemos, "Murray disse." Parecia natural reunir essas forças. "

Glotzer e seu grupo construíram um modelo de computador que poderia recriar a automontagem da mesma gama de formas que Murray havia produzido. As simulações mostraram que, se os hexágonos equiláteros interagissem uns com os outros apenas por meio de suas formas, a maioria dos cristais formava o padrão de favo de mel encurtado - não o espinha de peixe.

"Foi quando dissemos, 'OK, deve haver algo mais acontecendo. Não é apenas um problema de embalagem, '", Disse Glotzer.

Sua equipe, que incluiu o estudante de graduação da U-M Andres Millan e o cientista pesquisador Michael Engel, então começou a brincar com as interações entre as bordas das partículas. Eles descobriram que se as bordas que formavam as pontas fossem mais aderentes do que os outros dois lados, os hexágonos se organizariam naturalmente no padrão espinha de peixe.

As equipes suspeitaram que a fonte da viscosidade eram as cadeias de carbono e hidrogênio - talvez elas se fixassem nas bordas com mais facilidade. Uma vez que a experimentação ainda não oferece uma maneira de medir o número de cadeias de hidrocarbonetos nas laterais dessas partículas minúsculas, Murray perguntou a Ju Li, agora professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Battelle Energy Alliance no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, para calcular como as cadeias se ligariam às arestas em um nível de mecânica quântica.

O grupo de Li confirmou que, devido à forma como as diferentes facetas atravessam a rede dos átomos de metal e flúor, mais cadeias de hidrocarbonetos poderiam aderir às quatro bordas que levavam às pontas do que aos dois lados restantes. Como resultado, as partículas tornam-se irregulares.

"Nosso estudo mostra um caminho a seguir fazendo mudanças muito sutis na arquitetura de blocos de construção e conseguindo uma mudança muito profunda no padrão maior de automontagem, "Glotzer disse." O objetivo é ter botões que você pode mudar um pouco e obter uma grande mudança na estrutura, e este é um dos primeiros artigos que mostra um caminho a seguir para fazer isso. "

O artigo é intitulado "Competição de forma e patchiness de interação para nanoplacas de automontagem."

Murray também é professor de ciência de materiais e engenharia. Glotzer também é professor de ciência e engenharia de materiais, ciência macromolecular e engenharia, física e física aplicada. Li também é professor de ciência de materiais e engenharia.