p Quando os nanocientistas da Universidade da Pensilvânia criaram coisas bonitas, padrões lado a lado com nanocristais planos, eles ficaram com um mistério:por que alguns conjuntos de cristais se organizam em uma alternância, estilo espinha de peixe, mesmo não sendo o padrão mais simples? Descobrir, eles se voltaram para especialistas em simulação de computador na Universidade de Michigan e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. p O resultado oferece 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, fornece um meio de descobrir as regras para "programá-los" nas configurações desejadas.

p O estudo foi liderado por Christopher Murray, professor titular do Departamento de Química da Escola de Artes e Ciências e do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas. Também na equipe Penn estavam Cherie Kagan, uma quimica, MSE e professor de engenharia elétrica e de sistemas, e os pesquisadores de pós-doutorado Xingchen Ye, Jun Chen e Guozhong Xing.

p Eles colaboraram com Sharon Glotzer, um professor de engenharia química em Michigan, e Ju Li, professor de ciência nuclear e engenharia no MIT.

p A pesquisa deles foi destaque na capa do jornal Química da Natureza .

p "A emoção nisso não está no padrão espinha de peixe, "Murray disse, "É sobre o acoplamento de experimento e modelagem e como essa abordagem nos permite enfrentar um problema muito difícil."

p O trabalho anterior no grupo de Murray foi focado na criação de 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 desenvolver "matéria de programação, " isso é, um método para projetar novos materiais com base nas propriedades necessárias para um trabalho específico.

p "Por meio de interações de engenharia em nanoescala, "Glotzer disse, "podemos começar a montar estruturas alvo de grande complexidade e funcionalidade na macroescala."

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

p 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.

p 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 em torno 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.

p Para formar padrões de ladrilhos, a equipe purificou os nanocristais e os misturou com um solvente. Eles espalham essa mistura em uma camada fina sobre um fluido espesso, que sustentava os cristais enquanto permitia que eles se movessem. Conforme o solvente evaporou, os cristais tinham menos espaço disponível, e eles começaram a fazer as malas juntos.

p As formas do diamante e os hexágonos muito longos alinhados como esperado, the diamonds forming an argyle-style grid and the hexagons matching up their longest edges like a foreshortened honeycomb. The hexagons whose sides were all nearly the same length should have formed a similar squashed honeycomb pattern, mas, em vez de, they lined up in an alternating herringbone style.

p "Whenever we see something that isn't taking the simplest pattern possible, we have to ask why, " Murray said.

p They posed the question to Glotzer's team.

p "They've been world leaders in understanding how these shapes could work on nanometer scales, and there aren't many groups that can make the crystals we make, " Murray said. "It seemed natural to bring these strengths together."

p Glotzer and her group built a computer model that could recreate the self-assembly of the same range of shapes that Murray had produced. The simulations showed that if the equilateral hexagons interacted with one another only through their shapes, most of the crystals formed the foreshortened honeycomb pattern, not the herringbone.

p "That's when we said, 'Okay, there must be something else going on. It's not just a packing problem, '" Glotzer said. Her team, which included graduate student Andres Millan and research scientist Michael Engel, then began playing with interactions between the edges of the particles. They found that that if the edges that formed the points were stickier than the other two sides, the hexagons would naturally arrange in the herringbone pattern.

p The teams suspected that the source of the stickiness was those carbon and hydrogen chains. Perhaps they attached to the point edges more easily, the team members thought. Since experiment doesn't yet offer a way to measure the number of hydrocarbon chains on the sides of such tiny particles, Murray asked MIT's Ju Li to calculate how the chains would attach to the edges at a quantum mechanical level.

p Li's group confirmed that, because of the way that the different facets cut across the lattice of the metal and fluorine atoms, more hydrocarbon chains could stick to the four edges that led to points than the remaining two sides. Como resultado, the particles become patchy.

p "Our study shows a way forward making very subtle changes in building block architecture and getting a very profound change in the larger self-assembled pattern, " Glotzer said. "The goal is to have knobs that you can change just a little and get a big change in structure, and this is one of the first papers that shows a way forward for how to do that."