A cristalização é um dos processos mais fundamentais encontrados na natureza - e é o que dá os minerais, joias, metais, e até mesmo proteínas sua estrutura.

Nas últimas décadas, cientistas tentaram descobrir como os cristais naturais se montam e crescem - e seu trabalho pioneiro levou a algumas novas tecnologias empolgantes - a partir dos pontos quânticos por trás dos monitores de TV QLED coloridos, para peptoides, um imitador de proteína que inspirou dezenas de descobertas biotecnológicas.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley desenvolveu um composto de nanopartículas que se transforma em cristais 3-D. Os cientistas dizem que o novo material - que eles chamam de cristal 3D PGNP (nanopartícula enxertada com polímero) em seu relatório publicado recentemente Nature Communications estudo - pode levar a novas tecnologias desenvolvidas em 3D, em vez de impressas em 3D.

"Demonstramos uma nova alavanca para virar, por assim dizer, para transformar um material cristalino em um material composto ou estruturado para aplicações que vão desde fotônica em nanoescala para edifícios inteligentes a atuadores para robótica, "disse Ting Xu, autor sênior do estudo. Xu é um cientista sênior do corpo docente na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley.

Xu disse que seu novo método é compatível com as demandas da manufatura em massa. "Muitas mentes inteligentes criaram produtos químicos elegantes, como DNAs e supramoléculas, para cristalizar nanopartículas. Nosso sistema é essencialmente uma mistura de nanopartículas e polímeros - que são semelhantes aos ingredientes que as pessoas usam para fazer asas de avião ou pára-choques de automóveis. Mas o que é ainda mais interessante é que não esperávamos que nosso método fosse tão simples e rápido, "Xu disse.

Uma descoberta casual

Autor principal Yiwen Qian, um Ph.D. estudante pesquisador do Grupo Xu na UC Berkeley, descobriu os nanocristais PGNP 3D por acaso em um experimento de laboratório comum.

Alguns dias antes, ela havia deixado uma solução de solvente de tolueno e nanopartículas de ouro enxertadas com poliestireno (Au-PS) em um tubo de centrífuga em um balcão de laboratório. Quando ela olhou para a amostra em um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), ela notou algo estranho. "As nanopartículas cristalizaram rapidamente. Isso não era uma coisa normal de se esperar, " ela disse.

Investigar, Xu colaborou com Peter Ercius, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab, e Wolfgang Theis e Alessandra DaSilva da University of Birmingham, todos eles são amplamente reconhecidos por sua experiência em tomografia STEM (microscopia eletrônica de transmissão de varredura), uma técnica de microscopia eletrônica que usa um feixe de elétrons altamente focado para reconstruir imagens da estrutura 3D de um material em alta resolução.

Usando microscópios na Fundição Molecular, uma facilidade de usuário líder mundial em tomografia STEM, os pesquisadores primeiro capturaram padrões 3D cristalinos das nanopartículas de Au-PS.

Em busca de mais pistas, Xu e Qian então implantaram experimentos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear na UC Berkeley, onde eles descobriram que um minúsculo traço de moléculas de poliolefina do revestimento do tubo de centrífuga havia de alguma forma entrado na mistura. Poliolefinas, que incluem polietileno e polipropileno, são alguns dos plásticos mais onipresentes do mundo.

Qian repetiu o experimento, adicionar mais poliolefina à solução Au-PS - e desta vez, eles obtiveram cristais PGNP 3D maiores em minutos.

Xu ficou surpreso. "Eu pensei, 'Isso não deveria estar acontecendo tão rápido, "Ela lembrou." Cristais de nanopartículas geralmente levam dias para crescer no laboratório. "

Uma benção para a indústria:cultivar materiais no nível nanol

Experimentos subsequentes revelaram que, como o solvente de tolueno evapora rapidamente em temperatura ambiente, o aditivo de poliolefina ajuda as nanopartículas de Au-PS a se formarem em cristais 3D PGNP, e para "crescer em sua estrutura de cristal favorita, "disse Qian.

Em outro experimento importante, os pesquisadores projetaram um disco cristalino de 100-200 nanômetros de automontagem que se parece com a base de uma pirâmide. A partir desta demonstração impressionante de domínio sobre a matéria no nível nanol, os pesquisadores aprenderam que o tamanho e a forma dos cristais 3D PGNP são impulsionados pela energia cinética das poliolefinas à medida que se precipitam na solução.

Completamente, essas descobertas "fornecem um modelo para mostrar como você pode controlar a estrutura do cristal no nível de uma única partícula, "Xu disse, acrescentando que sua descoberta é emocionante porque fornece uma nova visão sobre como os cristais se formam durante os primeiros estágios de nucleação.

"E isso é um desafio porque é difícil fazer os átomos ficarem próximos uns dos outros, "Ercius disse.

A nova abordagem pode conceder aos pesquisadores um controle sem precedentes no ajuste fino de dispositivos eletrônicos e ópticos no nível nanométrico (bilionésimos de um metro), Xu disse. Essa precisão em escala de nanopartículas, ela adicionou, poderia acelerar a produção e eliminar erros na fabricação.

Olhando para a frente, Qian gostaria de usar sua nova técnica para sondar a resistência de diferentes estruturas de cristal - e talvez até mesmo fazer um cristal hexagonal.

Xu planeja usar sua técnica para desenvolver dispositivos maiores, como um transistor ou talvez nanopartículas impressas em 3D a partir de uma mistura de materiais.

"O que você pode fazer com diferentes morfologias? Mostramos que é possível gerar um composto de um único componente a partir de um mineral e um polímero. É realmente emocionante. Às vezes, você só precisa estar no lugar certo na hora certa, "Xu disse.

Os co-autores do artigo incluem Alessandra da Silva e Wolfgang Theis, da University of Birmingham, no Reino Unido; Emmy Yu, um estudante de graduação pesquisador no Grupo Xu na UC Berkeley; e Christopher L. Anderson e Yi Liu na Fundição Molecular do Berkeley Lab.