Materiais feitos de nanopartículas são promissores para inúmeras aplicações, desde uma melhor produção de energia solar até telas de toque perfeitas. O desafio de criar esses materiais maravilhosos é organizar as nanopartículas em arranjos ordenados.

Nanopartículas de magnetita, o material magnético mais abundante da terra, são encontrados em organismos vivos de bactérias a pássaros. Os nanocristais de magnetita se auto-organizam em finas agulhas de bússola no organismo que o ajudam a navegar.

Colaborando com nanoquímicos liderados por Rafal Klajn no Instituto Weizmann de Ciência em Israel, que descobriram que os nanocubos de magnetita podem se automontar em superestruturas helicoidais sob certas condições, O químico teórico Petr Kral, da Universidade de Illinois em Chicago, e seus alunos simularam o fenômeno e explicaram as condições sob as quais ele pode ocorrer. O estudo conjunto está online em Science Express antes da impressão na edição de 5 de setembro de Ciência .

Os pesquisadores da Weizmann dissolveram os nanocristais e expuseram a solução a um campo magnético externo. Conforme a solução evaporou, cadeias helicoidais de nanopartículas formadas. Surpreendentemente, as hélices espirais eram quirais, isto é, canhoto ou destro - apesar do fato de que as nanopartículas em si não são quirais. Conjuntos densamente compactados de hélices tendiam a adotar a mesma destreza.

A equipe UIC de Kral modelou a automontagem para determinar como as hélices se formaram nos experimentos de seus colaboradores - e por que as hélices tinham quiralidade.

Eles descobriram que a automontagem em hélices quirais é o resultado das forças concorrentes agindo sobre elas - a força Zeeman do campo magnético externo, força magnética dipolo-dipolo, força direcional magneto-anisotrópica, forças de van der Waals fracamente atraentes, e outros. A química dos ligantes de nanopartículas, o solvente, e a temperatura também pode desempenhar um papel.

Na presença de um campo magnético externo, os nanocubos superparamagnéticos - que são aleatoriamente magnéticos e podem girar com as mudanças de temperatura - tornaram-se pequenos ímãs com diferentes simetrias das forças concorrentes agindo entre eles. Como resultado, quando dois cubos estão cara a cara, eles tendem a se inclinar em relação um ao outro, formando um pequeno ângulo para a direita ou esquerda - a semente de uma hélice quiral, à medida que mais nanocubos se alinham com os dois primeiros.

A análise de Kral usou um algoritmo de computador Monte Carlo, que depende de amostragem aleatória repetida, executando simulações muitas vezes.

"Tivemos que escrever um novo, código de computador Monte Carlo eficiente que descreve todos os termos necessários, todos os valores, e, em seguida, explicar como o comportamento altamente incomum que Klajn observou - a automontagem das hélices - acontece, "Disse Kral.