Embora as nanopartículas pareçam uma descoberta recente, essas estruturas minúsculas têm sido usadas há séculos. A famosa taça de Lycurgus, feito por artesãos romanos do século 4, apresenta vidro dicróico, com nanopartículas de ouro e prata espalhadas por toda parte, produzindo uma aparência verde quando a luz incide sobre ele pela frente, e uma aparência vermelha quando iluminada por trás.

Nos séculos desde a época dos antigos artesãos, os pesquisadores já percorreram um longo caminho no entendimento das nanopartículas. A produção de nanocubos tem sido de particular interesse devido às suas potenciais aplicações como biossensores e sensores de gás. As nanopartículas podem ser produzidas usando métodos físicos ou químicos, embora os métodos físicos sejam vantajosos devido à ausência de contaminantes orgânicos comumente introduzidos por métodos químicos. Contudo, nanocubos de tamanho uniforme são difíceis de produzir em quantidades suficientes por métodos físicos. Pesquisadores da Nanoparticles by Design Unit da Universidade de Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) descobriram recentemente uma nova abordagem para superar esse problema. A pesquisa deles foi publicada recentemente em Materiais Funcionais Avançados .

"A forma de cubo não é a estrutura de menor energia para nanopartículas de ferro", explica o Dr. Jerome Vernieres, primeiro autor da publicação, "portanto, não poderíamos confiar em considerações de termodinâmica de equilíbrio para automontar esses nanocubos ". Em vez disso, os cientistas do OIST, sob a orientação do Prof. Mukhles Sowwan, exploraram as possibilidades oferecidas por uma técnica chamada condensação de gás inerte por pulverização catódica para criar seus nanocubos de ferro. Com este método, O gás argônio é primeiro aquecido e transformado em plasma ionizado. Então, um ímã, adequadamente localizado atrás de um alvo feito do material desejado, nesse caso, ferro, controla a forma do plasma, e garante que os íons de argônio bombardeiem o alvo; daí o nome "magnetron". Como resultado, átomos de ferro são espalhados para longe do alvo, colidem com átomos de argônio e uns com os outros, e formar nanopartículas. O controle preciso do plasma por meio do controle do campo magnético pode produzir nanocubos uniformes. "A uniformidade é a chave nas aplicações de detecção. Precisávamos de uma maneira de controlar o tamanho, forma, e número de nanocubos durante sua produção ", explicou o Dr. Stephan Steinhauer.

Para controlar o tamanho e a forma desses cubos, os pesquisadores fizeram uma observação simples, mas significativa:o ferro é magnético por si só! Em outras palavras, os pesquisadores descobriram que poderiam explorar o magnetismo intrínseco do próprio alvo como uma forma inovadora de modificar o campo magnético do magnetron. Dessa forma, eles conseguiram manipular o plasma onde as partículas crescem, e, assim, controlar os tamanhos dos nanocubos durante a formação. "Esta é a primeira vez que nanocubos de ferro uniformes foram feitos usando um método físico que pode ser dimensionado para produção em massa", esclarece Vernieres. Para entender melhor a mecânica desse processo, a equipe do OIST colaborou com pesquisadores da Universidade de Helsinque para fazer cálculos teóricos. “O trabalho se baseou fortemente em métodos experimentais e cálculos teóricos. As simulações foram importantes para explicarmos os fenômenos que estávamos observando”, ilumina o Dr. Panagiotis Grammatikopoulos.

Depois que os pesquisadores inventaram uma maneira de produzir esses cubos de ferro uniformes, a próxima etapa foi construir um dispositivo eletrônico que possa utilizar esses nanocubos para aplicações de detecção. "Observamos que esses cubos eram extremamente sensíveis aos níveis de NO2 gasoso. A detecção de NO2 é usada para uma variedade de finalidades diferentes, desde o diagnóstico de pacientes com asma até a detecção da poluição ambiental, então vimos imediatamente um aplicativo para o nosso trabalho ", afirma Steinhauer. Os pesquisadores da Nanoparticles by Design Unit, em colaboração com pesquisadores da Université de Toulouse, em seguida, construiu um protótipo de sensor de NO2 que mediu a mudança na resistência elétrica dos nanocubos de ferro devido à exposição ao gás NO2. Porque a exposição a até mesmo uma quantidade muito pequena de NO2 pode produzir uma mudança mensurável na resistência elétrica que é consideravelmente maior do que para outros poluentes atmosféricos, o sensor baseado em nanocubos de ferro é extremamente sensível e específico. "Esses nanocubos têm muitos usos potenciais. O fato de que podemos produzir uma quantidade relativamente grande de nanocubos uniformes usando um método de síntese cada vez mais comum torna esta pesquisa altamente promissora para aplicações industriais, "enfatizou Vernieres.