p No trabalho que perturba o design de materiais, pesquisadores demonstraram com simulações de computador que podem projetar um cristal e trabalhar no sentido inverso à forma de partícula que se automontará para criá-lo. p Isso pode levar a uma nova classe de materiais, como revestimentos de cristal que produzem cores que nunca desbotam.

p "Esses resultados transformam o design de materiais e nossa compreensão da entropia em suas cabeças, "disse Sharon Glotzer, Anthony C. Lembke, Diretor do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Michigan e autor sênior do artigo em Avanços da Ciência .

p Materiais com propriedades verdadeiramente novas geralmente precisam ser descobertos por acidente. Por exemplo, foi necessário um experimento divertido com fita de celofane e um pedaço de grafite para descobrir o grafeno em 2004 - agora um material maravilhoso ganhador do Nobel por sua combinação de força, flexibilidade, transparência e condutividade.

p Em vez de esperar por acaso, os cientistas de materiais gostariam de inventar um material maravilhoso e, em seguida, descobrir como fazê-lo. É essa abordagem "inversa" para projetar materiais - trabalhando de trás para frente a partir das propriedades desejadas - que a equipe está chamando de "alquimia digital".

p "Isso realmente nos permite focar no resultado e aproveitar o que sabemos para encontrar um ponto de partida para a construção desse material, "disse Greg van Anders, um autor correspondente no artigo e um professor assistente de física na Queen's University em Kingston, Ontário. A pesquisa foi feita enquanto ele estava na U-M anteriormente.

p Glotzer é líder no estudo de como as nanopartículas se auto-montam por meio do surpreendente mecanismo de entropia. Embora a entropia seja comumente considerada uma medida de desordem, A equipe de Glotzer o aproveita para criar cristais ordenados a partir de partículas. Eles podem fazer isso porque entropia não é realmente desordem, mas sim, é uma medida de quão livre o sistema é. Se as partículas tivessem muito espaço, eles seriam distribuídos através dele e orientados aleatoriamente - a coleção de partículas tem mais liberdade quando as partículas individuais têm mais liberdade.

p Mas nos sistemas em que Glotzer se concentra, as partículas não têm muito espaço. Se eles forem orientados aleatoriamente, a maioria deles ficará presa. O sistema de partículas é mais livre se as partículas se organizarem em uma estrutura cristalina. A física exige isso, e as partículas obedecem.

p Dependendo do formato das partículas, A equipe de Glotzer e outros mostraram como você pode obter uma variedade de cristais interessantes - alguns semelhantes a cristais de sal ou as redes atômicas de metais, e alguns aparentemente novos (como "quasicristais, "que não têm padrão repetido). No passado, eles fizeram isso da maneira usual, escolhendo a forma de uma partícula e simulando o cristal que ela faria. Eles passaram anos descobrindo as regras de design que permitem que partículas de certas formas construam certos cristais.

p Agora, eles mudaram para que possam conectar uma estrutura de cristal em seu novo programa, e dá a eles uma forma de partícula que irá construí-lo. Reenquadrando a questão de "Que cristal essa forma fará?" para "Esta forma fará meu cristal?" - a equipe explorou mais de 100 milhões de formas diferentes no estudo.

p “Em um único dia, em um computador normal, fomos capazes de estudar mais tipos diferentes de partículas do que foi relatado na última década, "disse van Anders.

p Eles usaram o software para identificar as formas das partículas para a construção de quatro redes cristalinas comuns (cúbica simples, cúbica centrada no corpo, cúbica centrada na face e diamante) e duas redes mais complexas (beta-manganês e beta-tungstênio). Quando isso funcionou, eles tentaram uma rede que não é conhecida na natureza, um de seu próprio projeto - uma variação do cristal conhecido como "hexagonal compactado".

p A equipe prevê que os nanocientistas experimentais serão capazes de fazer esses cristais, produzindo um lote de partículas na forma certa e adicionando-as a um fluido. No fluido, as nanopartículas vão se montar sozinhas. Enquanto eles permanecerem confinados, eles manterão sua estrutura.

p Isso pode levar a avanços na cor estrutural feita pelo homem, semelhante a como as asas de uma borboleta produzem seus tons brilhantes por meio de interações com a luz. Ao contrário dos pigmentos, a cor estrutural não desbota. A cor também pode ser ligada e desligada com um mecanismo para confinar as partículas para que formem o cristal ou dar-lhes espaço para que o cristal se desfaça.

p Esta pesquisa é relatada em Avanços da Ciência em um artigo intitulado "Entropia de engenharia para o projeto inverso de cristais coloidais de formas rígidas."