A descoberta cria um novo paradigma para a criação de materiais a partir de cristais
p À medida que as partículas se movem em solução, eles começam a “sentir” as interações a partir de distâncias comparáveis ao seu tamanho. O movimento correlacionado de íons leva as nanopartículas a se aproximarem umas das outras voltadas para os lados correspondentes. Em seguida, as mesmas forças induzidas por íons direcionam ajustes finos da orientação mútua das partículas de modo que os átomos nas superfícies sejam dispostos como um cristal ideal. Em seguida, o solvente deixa a lacuna entre as partículas, e um cristal sem defeitos é formado. Crédito:Pacific Northwest National Laboratory
p Olhe bem de perto, e você verá padrões engenhosos em toda a natureza. Cientistas e engenheiros há muito entenderam isso, mas imitar a Mãe Natureza na construção de tais padrões - especialmente estrutura de cristal altamente ordenada - tem se mostrado desafiador. Recentemente, Maria Sushko e Kevin Rosso, do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), aumentaram significativamente a compreensão ao esclarecer as forças motrizes por trás do crescimento do cristal baseado em partículas com sua nova abordagem computacional. Eles aprenderam que o crescimento do cristal depende do equilíbrio sutil das interações entre os átomos, íons, moléculas, e partículas. Sua descoberta é uma promessa significativa para a criação de materiais para enfrentar os desafios de energia. p Em processos naturais de crescimento de cristais, blocos de construção de nanopartículas fixam-se ao longo de faces de cristal específicas. Estudando esses exemplos, os pesquisadores foram inspirados a contemplar como eles podem criar estruturas cristalinas semelhantes para uma gama de aplicações práticas, incluindo armazenamento de energia. Armado com uma maior compreensão dos processos fundamentais subjacentes às vias de crescimento do cristal, os pesquisadores podiam controlar esses processos para sintetizar novos materiais com detalhes precisos. Em sua pesquisa, Sushko e Rosso descobriram que o movimento coordenado dos íons perto das superfícies das nanopartículas conduzem a maneira como as nanopartículas se organizam em formas e estruturas de cristal correspondentes. Eles descobriram que os íons em solução podem direcionar a rotação das nanopartículas em uma orientação de cristal correspondente - imitando o padrão da natureza com precisão - para produzir cristais perfeitos.
p A descoberta dos pesquisadores do PNNL fornece informações fundamentais fundamentais sobre os processos geoquímicos que levam à formação mineral, e ajuda a criar complexos, hierárquico, estruturas monocristalinas no laboratório. Também promete criar materiais inovadores para produtos eletrônicos de consumo, baterias, e mais. De acordo com Sushko, sua nova abordagem computacional cria "um novo paradigma na síntese baseada no conhecimento de estruturas cristalinas tridimensionais altamente ordenadas" para uma gama de aplicações práticas em catálise e tecnologias de armazenamento de energia.
p Rosso e Sushko desenvolveram um novo modelo computacional multi-escala que engloba as forças essenciais que atuam entre os átomos, moléculas, e partículas. Sua abordagem abrange escalas de comprimento de Angstrom a meio mícron e é totalmente transferível para uma ampla gama de sistemas. O método está profundamente enraizado na mecânica quântica e fornece uma abordagem livre de parâmetros para modelar sistemas experimentalmente relevantes.
p Sua nova abordagem computacional é um passo importante para o desenvolvimento de uma teoria abrangente de cristalização baseada em partículas. Pesquisas futuras irão estender o modelo para incluir uma gama mais ampla de forças macroscópicas, como polarização magnética e elétrica. O modelo também será aplicado a outros materiais para obter uma visão sobre as várias vias de cristalização.
