O segredo de um truque de mágica há muito escondido por trás da automontagem de estruturas nanocristais está começando a ser revelado.

A transformação de partículas coloidais simples - pedaços de matéria suspensos em solução - em compactados, lindas malhas tipo renda, ou superredes, tem intrigado pesquisadores por décadas. Imagens bonitas em si mesmas, essas minúsculas superredes, também chamados de pontos quânticos, estão sendo usados ​​para criar telas de exibição mais vívidas, bem como matrizes de dispositivos sensoriais ópticos. O potencial máximo dos pontos quânticos para transformar qualquer superfície em uma tela inteligente ou dobradiças de fonte de energia, em parte, em entender como eles se formam.

Por meio de uma combinação de técnicas, incluindo evaporação controlada de solvente e espalhamento síncrotron de raios-X, a automontagem em tempo real de estruturas nanocristais agora se tornou observável in-situ. As descobertas foram relatadas no jornal Materiais da Natureza em um artigo do professor assistente William A. Tisdale e do aluno de graduação Mark C. Weidman, ambos no Departamento de Engenharia Química do MIT, e Detlef-M. Smilgies na fonte síncrotron de alta energia de Cornell (XADREZ).

Os pesquisadores antecipam que suas novas descobertas terão implicações para a manipulação direta das superredes resultantes, com a possibilidade de fabricação sob demanda e o potencial de gerar princípios para a formação de materiais macios relacionados, como proteínas e polímeros.

Quantum dot disco

Tisdale e seus colegas estão entre os muitos grupos que estudam nanocristais semicondutores rígidos com superfícies revestidas com moléculas orgânicas. Esses materiais eletrônicos processáveis ​​por solução estão nas prateleiras das lojas agora com uma variedade de nomes, incorporado em tudo, desde telas de iluminação a TVs. Eles também estão sendo planejados para fabricar células solares eficientes e outros dispositivos de conversão de energia devido à facilidade de fabricação e aos processos de fabricação de baixo custo.

A adoção mais ampla desses nanocristais em outras tecnologias de conversão de energia tem sido limitada, em parte, pela falta de conhecimento sobre como eles se montam, indo de partículas coloidais (como pequenas bolas de isopor suspensas em um líquido) para superredes (imagine essas mesmas bolas agora secas, embalado, e alinhados).

Técnicas, incluindo microscopia eletrônica e espalhamento de luz dinâmico, descobriram alguns aspectos do estado coloidal inicial e da estrutura final da superrede, mas eles não iluminaram a transição entre esses dois estados. Na verdade, esse trabalho fundamental data de meados da década de 1990 com o grupo de Moungi Bawendi no MIT.

"Nos últimos 10 a 15 anos, muito progresso foi feito na fabricação de estruturas nanocristais muito bonitas, "Tisdale diz." No entanto, ainda há muito debate sobre por que eles se agrupam em cada configuração. É a entropia do ligante ou a lapidação dos nanocristais? A profundidade das informações fornecidas ao observar todo o processo de auto-organização se desdobrando em tempo real pode ajudar a responder a essas perguntas. "

Câmara de segredos

Para fazer o filme em nanoescala acima, O aluno de pós-graduação e co-autor de Tisdale, Mark Weidman, aproveitou a vantagem de uma câmara experimental desenvolvida por Cornell e uma configuração de detector duplo recentemente desenvolvida com dois detectores de área rápida, enquanto as condições ambientais foram alteradas durante a formação de superredes. Usando nanocristais de sulfeto de chumbo, Weidman foi capaz de realizar observações simultâneas de espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (capturando a estrutura da superrede) e de grande angular (capturando orientação em escala atômica e alinhamento de partículas individuais) durante a evaporação de um solvente.

"Acreditamos que este foi o primeiro experimento que nos permitiu assistir em tempo real e em um ambiente nativo como ocorre a automontagem, "Tisdale diz." Esses experimentos não teriam sido possíveis sem os recursos experimentais desenvolvidos por Detlef e a equipe do CHESS. "

O uso de nanocristais com um elemento pesado (chumbo) e o brilho da fonte de raios-X síncrotron possibilitaram a coleta de dados suficientemente rápida para que a automontagem pudesse ser observada em tempo real, resultando em imagens e filmes atraentes do processo.

Uma malha fina

A descoberta pode levar a modelos refinados para automontagem de uma ampla gama de materiais orgânicos macios. Além disso, a capacidade de observar a estrutura à medida que ela evolui em tempo real também promete intervir ou direcionar o sistema para as configurações desejadas, pressagiando um futuro guia prático para a criação de superredes.

Tisdale diz que muito mais trabalho precisa ser feito para obter insights sobre por que os nanocristais se montam da maneira que o fazem. Ele e sua equipe planejam usar sua nova técnica para manipular parâmetros como as condições do solvente, bem como o tamanho e a forma dos nanocristais, e estudar mais de perto os ligantes na superfície, pois eles parecem ser o principal motivador para a automontagem.

"Esperamos que este estudo e técnica ajudem a aumentar nossa compreensão da automontagem coloidal e, a longo prazo, nos permitem direcionar a automontagem em nanoescala em direção a uma estrutura desejada, "Weidman acrescenta.