A natureza pode abominar o vácuo, mas com certeza ama a estrutura. Conjuntos complexos e auto-organizados são encontrados em todo o mundo natural, desde moléculas de DNA de dupla hélice até os cristais fotônicos que tornam as asas de borboleta tão coloridas e iridescentes.
Um projeto liderado por Cornell criou nanoclusters sintéticos que podem imitar essa automontagem hierárquica desde a escala nanométrica até a escala centimétrica, abrangendo sete ordens de magnitude. Os filmes finos sintéticos resultantes têm o potencial de servir como um sistema modelo para explorar sistemas hierárquicos biomiméticos e futuras funções avançadas.

O artigo do grupo, "Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase", publicado em 14 de abril em Nature Materials .

Anteriormente, o maior obstáculo para a criação desse tipo de nanomaterial sintético era a falta de blocos de construção em nanoescala com a versatilidade necessária para interagir em muitas escalas de comprimento, permitindo que eles se organizassem em estruturas complexas, como encontradas em biomoléculas.

Assim, uma equipe liderada pelos coautores sênior Richard Robinson, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Faculdade de Engenharia, e Tobias Hanrath, professor da Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, se voltaram para o sulfeto de cádmio, um produto testado e aprovado. verdadeiro material para pesquisa de nanopartículas.

Ao contrário dos esforços anteriores para sintetizar o composto, o grupo realizou uma versão de síntese de alta concentração que usou muito pouco solvente. O processo produziu "aglomerados de tamanho mágico" de 57 átomos, com cerca de 1,5 nanômetros de comprimento. Cada uma dessas nanopartículas tinha um invólucro de ligantes – moléculas de ligação especiais – que podiam interagir umas com as outras de tal forma que formavam filamentos de vários mícrons de comprimento e centenas de nanômetros de largura. Os filamentos eram "periodicamente decorados com esses aglomerados de tamanho mágico, como uma superestrada de carros, com espaçamento perfeito entre eles", segundo Robinson.

“Se você olhar para a frente do filamento, para o centro, ele é organizado radialmente e também estruturado hexagonalmente”, disse ele. “E como esses filamentos estruturados têm emaranhados atraentes, acontece que, quando secos nas condições certas, eles se automontam com ordem de longo alcance”.

Notavelmente, controlando cuidadosamente a geometria evaporativa, os filamentos se enrolaram em cabos maiores com centenas de mícrons de comprimento, e os cabos então agrupados e alinhados em bandas altamente ordenadas, resultando em um filme fino padronizado em escalas de centímetros.

"Geralmente você não pode sintetizar algo que tenha uma organização hierárquica do nanômetro até sete ordens de magnitude maior. Acho que esse é realmente o molho especial", disse Robinson. "As montagens imitam muitos produtos naturais interessantes - mineralização natural, fotônica natural - coisas que ocorrem na natureza que não conseguimos reproduzir com sucesso em laboratório."

A mistura de interações orgânicas e inorgânicas dá aos aglomerados de tamanho mágico a capacidade de criar filmes com padrões periódicos perfeitos. O fato de o filme fino poder mostrar todo o espectro de um arco-íris, o que os pesquisadores demonstraram, é a prova de sua estrutura impecável.

"É provável que as pessoas não tenham visto isso antes porque a maioria das sínteses foi feita em baixas concentrações, então você tem muito solvente. Eles não têm as mesmas interações ligante-ligante", disse ele. "Mudamos isso. Movemos a escala em um clique da casa decimal e criamos essa síntese sem solvente."

Entre os aspectos mais intrigantes do filme de nanomaterial é que ele exibe propriedades ópticas quirais - a absorção não simétrica da luz polarizada - que provavelmente se manifesta no nível das nanopartículas, e essa característica é amplificada até a escala macroscópica. Os filmes finos também compartilham algumas semelhanças surpreendentes com os cristais líquidos.

Para entender melhor o comportamento da auto-organização, Robinson e Hanrath consultaram um grupo de colaboradores.

Lena Kourkoutis, professora associada de física aplicada e de engenharia, lidou com a microscopia eletrônica que permitiu à equipe ver onde as nanopartículas estavam localizadas dentro dos filamentos. Julia Dshemuchadse, professora assistente em ciência e engenharia de materiais, teorizou as regras que regem a montagem e estabilidade dos filamentos. Pesquisadores da Universidade de Toronto e do Rochester Institute of Technology estimaram as interações entre os dipolos elétricos que orientam os aglomerados e desenvolveram um modelo teórico que mostrou por que o método de evaporação fez com que os nanoaglomerados formassem um filme tão perfeitamente periódico, respectivamente.

A descoberta das notáveis ​​estruturas multi-escala abre novos caminhos para o desenvolvimento de tecnologias que alavancam suas propriedades quirópticas emergentes.

"As interações luz-matéria exclusivas desses metamateriais quirópticos podem ser usadas para uma variedade de aplicações potenciais, desde detecção, catálise e detectores de luz polarizados circulares até perspectivas mais avançadas em spintrônica, computação quântica e holografia", disse Hanrath. + Explorar mais

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