p Um estudo computacional e experimental combinado de estruturas baseadas em prata automontadas, conhecidas como superredes, revelou um comportamento incomum e inesperado:conjuntos de máquinas em escala molecular semelhantes a engrenagens que giram em uníssono quando a pressão é aplicada a elas. p Estudos computacionais e experimentais mostram que as estruturas da superrede, que são automontados a partir de aglomerados menores de nanopartículas de prata e moléculas protetoras orgânicas, formam-se em camadas com as ligações de hidrogênio entre seus componentes servindo como "dobradiças" para facilitar a rotação. O movimento das "engrenagens" está relacionado a outra propriedade incomum do material:o aumento da pressão na superrede a amolece, permitindo que a compressão subsequente seja feita com muito menos força.

p Materiais contendo as nanopartículas semelhantes a engrenagens - cada uma composta por cerca de 500 átomos - podem ser úteis para comutação em escala molecular, detecção e até mesmo absorção de energia. Acredita-se que a complexa estrutura da super-rede esteja entre os maiores sólidos já mapeados em detalhes usando uma combinação de raios-X e técnicas computacionais.

p "À medida que esprememos este material, fica cada vez mais suave e de repente passa por uma mudança dramática, "disse Uzi Landman, professor da Regents 'e F.E. Callaway na School of Physics do Georgia Institute of Technology. "Quando olhamos para a orientação da estrutura microscópica do cristal na região desta transição, vemos que algo muito incomum acontece. As estruturas começam a girar em relação umas às outras, criando uma máquina molecular com alguns dos menores elementos móveis já observados. "

p As engrenagens giram até 23 graus, e retorne à posição original quando a pressão for liberada. Engrenagens em camadas alternadas movem-se em direções opostas, disse Landman, que é diretor do Center for Computational Materials Science da Georgia Tech.

p Apoiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia, a pesquisa foi relatada em 6 de abril na revista Materiais da Natureza . Pesquisadores da Georgia Tech e da University of Toledo colaboraram no projeto.

p A pesquisa estudou estruturas superrede compostas por aglomerados com núcleos de 44 átomos de prata cada. Os aglomerados de prata são protegidos por 30 moléculas ligantes de um material orgânico - ácido mercaptobenzóico (p-MBA) - que incluem um grupo ácido. As moléculas orgânicas estão ligadas à prata por átomos de enxofre.

p "Não são os átomos individuais que formam a superrede, "explicou Landman." Você realmente faz a estrutura maior a partir de aglomerados que já estão cristalizados. Você pode fazer uma matriz ordenada a partir deles. "

p Em solução, os clusters se montam na superrede maior, guiado pelas ligações de hidrogênio, que só pode se formar entre as moléculas de p-MBA em certos ângulos.

p "O processo de automontagem é guiado pelo desejo de formar ligações de hidrogênio, "Landman explicou." Essas ligações são direcionais e não podem variar significativamente, o que restringe a orientação que as moléculas podem ter. "

p A superrede foi estudada primeiro usando simulações de dinâmica molecular de mecânica quântica conduzidas no laboratório de Landman. O sistema também foi estudado experimentalmente por um grupo de pesquisa liderado por Terry Bigioni, professor associado do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade de Toledo.

p O comportamento incomum ocorreu enquanto a superrede estava sendo comprimida usando técnicas hidrostáticas. Depois que a estrutura foi comprimida em cerca de seis por cento do seu volume, a pressão necessária para compressão adicional caiu de repente significativamente. Os pesquisadores descobriram que a queda ocorreu quando os componentes nanocristais giraram, camada por camada, em direções opostas.

p Assim como as ligações de hidrogênio direcionam como a estrutura da superrede é formada, da mesma forma, eles orientam como a estrutura se move sob pressão.

p "A ligação de hidrogênio gosta de ter direcionalidade em sua orientação, "Landman explicou." Quando você pressiona a superrede, quer manter as ligações de hidrogênio. No processo de tentar manter as ligações de hidrogênio, todos os ligantes orgânicos dobram os núcleos de prata em uma camada de uma maneira, e aqueles na próxima camada dobram e giram para o outro lado. "

p Quando os nanoclusters se movem, a estrutura gira em torno das ligações de hidrogênio, que atuam como "dobradiças moleculares" para permitir a rotação. A compressão é possível, Landman notou, porque a estrutura cristalina tem cerca de metade de seu espaço aberto.

p O movimento dos nanocristalitos de prata pode permitir que o material da superrede sirva como uma estrutura de absorção de energia, converter força em movimento mecânico. Ao alterar as propriedades condutoras da superrede de prata, comprimir o material também pode permitir que ele seja usado como sensores e interruptores em escala molecular.

p O estudo experimental e computacional combinado torna a superrede de prata um dos materiais mais estudados no mundo.

p "Agora temos controle total sobre um material único que, por sua composição, possui uma diversidade de moléculas, "Landman disse." Tem metal, tem materiais orgânicos e tem um núcleo metálico rígido rodeado por um material macio. "

p Para o futuro, os pesquisadores planejam experimentos adicionais para aprender mais sobre as propriedades únicas do sistema de superrede. O sistema único mostra como propriedades incomuns podem surgir quando sistemas em escala nanométrica são combinados com muitas outras unidades em pequena escala.

p "Nós fazemos as pequenas partículas, e eles são diferentes porque pequeno é diferente, "disse Landman." Quando você os junta, ter mais deles é diferente porque isso permite que eles se comportem coletivamente, e essa atividade coletiva faz a diferença. "