Uma equipe de pesquisa liderada pela Northwestern University e pela Universidade de Michigan desenvolveu um novo método para reunir partículas em cristais coloidais, um valioso tipo de material usado para sensores químicos e biológicos e dispositivos de detecção de luz. Usando esse método, a equipe mostrou pela primeira vez como esses cristais podem ser projetados de maneiras não encontradas na natureza.
A equipe usou a Advanced Photon Source (APS), uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, para confirmar sua descoberta fundamental.

"Um poderoso feixe de raios-X permite as medições de alta resolução que você precisa para estudar este tipo de montagem. O APS é uma instalação ideal para realizar esta pesquisa", observou Byeongdu Lee do Laboratório Nacional de Argonne.

"Descobrimos algo fundamental sobre o sistema para fazer novos materiais", disse Chad A. Mirkin, professor de química George B. Rathmann no Weinberg College of Arts and Sciences em Northwestern. "Esta estratégia para quebrar a simetria reescreve as regras de design e síntese de materiais."

A pesquisa foi dirigida por Mirkin e Sharon C. Glotzer, chefe do departamento Anthony C. Lembke de Engenharia Química da Universidade de Michigan, e foi publicada na revista Nature Materials .

Cristais coloidais são partículas muito pequenas com outras partículas menores (chamadas nanopartículas) dispostas dentro deles de forma ordenada ou simétrica. Eles podem ser projetados para aplicações desde sensores de luz e lasers até comunicações e computação. Para esta pesquisa, os cientistas tentaram quebrar a simetria natural da natureza, que tende a ordenar partículas minúsculas da maneira mais simétrica.

"Imagine que você está empilhando bolas de basquete em uma caixa", disse Byeongdu Lee, da Argonne, líder de grupo da APS e autor do artigo. "Você teria uma maneira específica de fazer isso que obteria o máximo valor do espaço. É assim que a natureza faz."

No entanto, diz Lee, se as bolas forem esvaziadas em alguma quantidade, você pode empilhá-las em um padrão diferente. A equipe de pesquisa, disse ele, está tentando fazer o mesmo com nanomateriais, ensinando-os a se automontar em novos padrões.

Para esta pesquisa, os cientistas usaram o DNA, a molécula dentro das células que carrega a informação genética. Os cientistas aprenderam o suficiente sobre o DNA para poder programá-lo para seguir instruções específicas. Esta equipe de pesquisa usou o DNA para ensinar nanopartículas de metal a se montarem em novas configurações. Os pesquisadores anexaram moléculas de DNA às superfícies de nanopartículas de tamanhos diferentes e descobriram que as partículas menores se moviam em torno das maiores nas lacunas entre elas, enquanto ainda uniam as partículas em um novo material.

“Usar nanopartículas grandes e pequenas, onde as menores se movem como elétrons em um cristal de átomos de metal, é uma abordagem totalmente nova para construir estruturas de cristal coloidais complexas”, disse Glotzer.

Ao ajustar esse DNA, os cientistas alteraram os parâmetros das pequenas partículas equivalentes de elétrons e, assim, alteraram os cristais resultantes.

"Exploramos estruturas mais complexas onde o controle sobre o número de vizinhos em torno de cada partícula produzia mais quebras de simetria", disse Glotzer. “Nossas simulações de computador ajudaram a decifrar os padrões complicados e revelar os mecanismos que permitiram que as nanopartículas os criassem”.

Essa abordagem preparou o terreno para três novas fases cristalinas nunca antes sintetizadas, uma das quais não tem equivalente natural conhecido.

"Assemblies de partículas coloidais sempre têm alguma analogia no sistema atômico natural", disse Lee. "Desta vez, a estrutura que encontramos é completamente nova. Da forma como ela se monta, não vimos metais, ligas metálicas ou outros materiais se montando naturalmente dessa maneira."

"Ainda não conhecemos as propriedades físicas do material", disse Lee. "Agora entregamos aos cientistas de materiais para criar este material e estudá-lo."

A equipe usou os feixes de raios-X ultrabrilhantes do APS para confirmar a nova estrutura de seus cristais. Eles usaram os instrumentos de dispersão de raios X de pequeno ângulo de alta resolução nas linhas de luz 5-ID e 12-ID para criar imagens precisas do arranjo de partículas que eles criaram.

"Um poderoso feixe de raios-X permite as medições de alta resolução que você precisa para estudar esse tipo de montagem", disse Lee. "A APS é uma instalação ideal para realizar esta pesquisa."

O APS está atualmente passando por uma atualização massiva, que Lee observou que permitirá que os cientistas determinem estruturas ainda mais complexas no futuro. Os instrumentos do 12-ID também estão sendo atualizados para aproveitar ao máximo os feixes de raios-X mais brilhantes que estarão disponíveis.

Esses cristais coloidais de baixa simetria têm propriedades ópticas que não podem ser alcançadas com outras estruturas cristalinas e podem ser usadas em uma ampla gama de tecnologias. Suas propriedades catalíticas também são diferentes. Mas as novas estruturas aqui reveladas são apenas o começo das possibilidades agora que as condições para quebrar a simetria são compreendidas.

"Estamos no meio de uma era sem precedentes de síntese e descoberta de materiais", disse Mirkin. “Este é mais um passo em frente para trazer novos materiais inexplorados do caderno de esboços para aplicativos que podem tirar proveito de suas propriedades raras e incomuns”. + Explorar mais

Estudo revela como quebrar a simetria em cristais coloidais