(Phys.org) - Crescendo filmes finos de nanopartículas em ordem, folhas cristalinas, para fazer qualquer coisa, desde componentes microeletrônicos a células solares, seria uma benção para pesquisadores de materiais, mas a física é complicada porque partículas desse tamanho não formam cristais como os átomos individuais.

Usando partículas maiores como modelos, físicos previram algumas propriedades incomuns de crescimento de cristais de nanopartículas - em particular, que algumas partículas, devido aos seus tamanhos e às forças de atração entre eles, criam cristais que derretem quando são resfriados.

Um estudo liderado por John Savage, ex-associado de pós-doutorado no laboratório de Itai Cohen, professor associado de física, mostrou que os cristais coloidais, que se formam a partir de partículas suspensas em fluido, pode exibir este estranho fenômeno de fusão a frio. O estudo foi publicado online em 20 de maio em Proceedings of the National Academy of Sciences .

Normalmente as pessoas cultivam cristais de diferentes materiais, como o arsenieto de gálio semicondutor comum, como folhas em camadas de átomos fortemente unidos. Os cristais coloidais são diferentes; eles se formam quando as partículas coloidais suspensas em um fluido se montam em matrizes.

Para fazer com que os colóides de tamanho mícron formem cristais, os pesquisadores introduziram partículas de tamanho nanométrico no fluido, que competem com os coloides maiores por espaço e acabam empurrando os coloides juntos, mas apenas quando a distância entre eles é menor do que as nanopartículas. Como essa atração resulta da energia térmica dos movimentos das nanopartículas, as ligações entre as partículas coloidais também são relativamente fracas.

Esses de curto alcance, atrações fracas entre as partículas, em oposição a fortes ligações atômicas, exibem alguns comportamentos surpreendentes. Por exemplo, Cohen disse, em solução, as partículas só são capazes de sentir umas às outras quando estão a menos de uma nanopartícula de distância. Mas se as partículas coloidais estão repousando sobre um substrato de partículas, que define o espaçamento entre eles, então, o alcance da interação pode aumentar dramaticamente.

Eles descobriram que as partículas de substrato mantêm os coloides frouxamente ligados por tempo suficiente para que eles possam se empurrar e interagir com seus vizinhos no plano, mas apenas de vez em quando. Efetivamente, parece que as partículas estão formando ligações com seus vizinhos no plano, mesmo que só o façam às vezes.

"Isso permite que vizinhos no plano formem cristais fracamente ligados, cujo espaçamento entre as partículas é muito maior do que você esperaria ser possível, dada a natureza de curto alcance da interação, "Cohen disse.

Quando eles baixaram a temperatura para que as ligações entre as partículas fossem mais fortes do que sua energia térmica, as partículas se empurravam menos. Consequentemente, eles se sentaram mais profundamente no poço formado pelas partículas de substrato e interagiram com seus vizinhos no plano com menos frequência.

O resultado, Cohen disse, é que os coloides não foram mais capazes de formar ligações no plano que podem manter o cristal unido, então as partículas podem se difundir e o cristal se dissolve ou derrete. "É um efeito estranho, "Cohen disse, "onde o cristal derrete após o resfriamento."

Esses resultados podem ajudar os pesquisadores de materiais a adaptar o crescimento de cristais compostos de nanopartículas - onde surgem efeitos semelhantes - para novas aplicações em eletrônica ou materiais de energia.

O estudo, "Formação de cristal impulsionada por entropia em substratos altamente tensos, "foi apoiado pela King Abdullah University of Science and Technology e pela National Science Foundation.