p Quimicamente o mesmo, grafite e diamantes são tão fisicamente distintos quanto dois minerais podem ser, um opaco e macio, a outra translúcida e dura. O que os torna únicos são seus diferentes arranjos de átomos de carbono. p Polimorfos, ou materiais com a mesma composição, mas com estruturas diferentes, são comuns em materiais a granel, e agora um novo estudo em Nature Communications confirma que eles existem em nanomateriais, também. Os pesquisadores descrevem duas estruturas únicas para o icônico nanocluster de ouro Au144 (SR) 60, mais conhecido como Gold-144, incluindo uma versão nunca vista antes. A descoberta dá aos engenheiros um novo material para explorar, junto com a possibilidade de encontrar outras nanopartículas polimórficas.

p "Isso levou quatro anos para se desfazer, "disse Simon Billinge, professor de física na Columbia Engineering e membro do Data Science Institute. "Não esperávamos que os clusters assumissem mais de um arranjo atômico. Mas essa descoberta nos dá mais alças para virar ao tentar projetar clusters com propriedades novas e úteis."

p O ouro tem sido usado em moedas e joias há milhares de anos por sua durabilidade, mas diminua para um tamanho 10, 000 vezes menor que um cabelo humano, e se torna extremamente instável e imprevisível. Na nanoescala, ouro gosta de separar outras partículas e moléculas, tornando-o um material útil para purificar a água, imagiologia e matando tumores, e tornando os painéis solares mais eficientes, entre outras aplicações.

p Embora uma variedade de partículas e moléculas de nanogold tenham sido feitas em laboratório, muito poucos tiveram seu arranjo atômico secreto revelado. Mas recentemente, novas tecnologias estão colocando essas estruturas minúsculas em foco.

p Sob uma abordagem, feixes de raios-x de alta energia são disparados contra uma amostra de nanopartículas. A análise de dados avançada é usada para interpretar os dados de espalhamento de raios-X e inferir a estrutura da amostra, que é a chave para entender o quão forte, reativas ou duráveis ​​as partículas podem ser.

p Billinge e seu laboratório foram pioneiros em um método, a análise atômica da Função de Distribuição de Pares (PDF), para interpretar esses dados de espalhamento. Para testar o método PDF, Billinge pediu a químicos da Colorado State University que fizessem pequenas amostras de Gold-144, um cluster nanogold do tamanho de uma molécula isolado pela primeira vez em 1995. Sua estrutura foi teoricamente prevista em 2009, e embora nunca confirmado, Gold-144 encontrou inúmeras aplicações, inclusive na imagiologia de tecidos.

p Esperando que o teste confirme a estrutura do Gold-144, eles analisaram os aglomerados na Fonte de Radiação Síncrotron Europeia em Grenoble, e usou o método PDF para inferir sua estrutura. Para sua surpresa, eles encontraram um núcleo angular, e não o núcleo icosaédrico esférico previsto. Quando eles fizeram uma nova amostra e tentaram o experimento novamente, desta vez usando síncrotrons nos laboratórios nacionais de Brookhaven e Argonne, a estrutura voltou esférica.

p "Não entendíamos o que estava acontecendo, mas cavando mais fundo, percebemos que tínhamos um polimorfo, "disse o co-autor do estudo Kirsten Jensen, ex-pesquisador de pós-doutorado na Columbia, agora é professor de química na Universidade de Copenhagen.

p Outras experiências confirmaram que o cluster tinha duas versões, às vezes encontrados juntos, cada um com uma estrutura única indicando que se comportam de maneira diferente. Os pesquisadores ainda não têm certeza se Gold-144 pode mudar de uma versão para outra ou, o que exatamente, diferencia as duas formas.

p Para fazer sua descoberta, os pesquisadores resolveram o que os físicos chamam de problema inverso da nanoestrutura. Como a estrutura de uma minúscula nanopartícula em uma amostra pode ser inferida a partir de um sinal de raios-X que foi calculado em milhões de partículas, cada um com orientações diferentes?

p "O sinal é ruidoso e altamente degradado, "disse Billinge." É o equivalente a tentar reconhecer se o pássaro na árvore é um tordo ou um cardeal, mas a imagem em seus binóculos está muito borrada e distorcida para dizer. "

p "Nossos resultados demonstram o poder da análise de PDF para revelar a estrutura de partículas muito pequenas, "acrescentou o co-autor do estudo, Christopher Ackerson, um professor de química no estado do Colorado. "Eu tenho tentado, desligado e ligado, por mais de 10 anos para obter a estrutura de raios-X de cristal único do Gold-144. A presença de polimorfos ajuda a explicar por que essa molécula tem sido tão resistente aos métodos tradicionais. "

p A abordagem PDF é um dos vários métodos rivais sendo desenvolvidos para trazer a estrutura das nanopartículas em foco. Agora que ele se provou, pode ajudar a acelerar o trabalho de descrição de outras nanoestruturas.

p O objetivo final é projetar nanopartículas por suas propriedades desejadas, em vez de por tentativa e erro, entendendo como forma e função se relacionam. Bancos de dados de estruturas conhecidas e previstas podem tornar possível projetar novos materiais com alguns cliques do mouse.

p O estudo é um primeiro passo.

p "Há anos temos um modelo de estrutura para essa icônica molécula de ouro e, em seguida, esse estudo vem e diz que a estrutura está basicamente certa, mas tem um doppelgänger, "disse Robert Whetten, professor de física química da Universidade do Texas, Santo António, que liderou a equipe que isolou o Gold-144 pela primeira vez. "Parecia absurdo, ter duas estruturas distintas que fundamentam sua onipresença, mas este é um belo artigo que vai persuadir muita gente. "