A natureza guarda alguns segredos. Embora muitas estruturas com baixa simetria sejam encontradas na natureza, os cientistas se limitaram a projetos de alta simetria ao sintetizar cristais coloidais, um tipo valioso de nanomaterial usado para sensores químicos e biológicos e dispositivos optoeletrônicos.
Agora, pesquisas da Northwestern University e da Universidade de Michigan abriram a cortina, mostrando pela primeira vez como cristais coloidais de baixa simetria podem ser feitos – incluindo uma fase para a qual não há equivalente natural conhecido.

"Descobrimos algo fundamental sobre o sistema para fazer novos materiais", disse Chad A. Mirkin, da Northwestern. "Esta estratégia para quebrar a simetria reescreve as regras de design e síntese de materiais."

A pesquisa foi publicada hoje (13 de janeiro) na revista Nature Materials.

Mirkin é o Professor George B. Rathmann de Química no Weinberg College of Arts and Sciences; professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na Escola de Engenharia McCormick; e professor de medicina na Feinberg School of Medicine. Ele também é o diretor fundador do Instituto Internacional de Nanotecnologia.

A pesquisa foi dirigida por Mirkin e Sharon C. Glotzer, Anthony C. Lembke Presidente do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Michigan.

As nanopartículas podem ser programadas e montadas em matrizes ordenadas conhecidas como cristais coloidais, que podem ser projetadas para aplicações de sensores de luz e lasers a comunicações e computação.

"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.

Nesta pesquisa, nanopartículas metálicas cujas superfícies foram revestidas com DNA de designer foram usadas para criar os cristais. O DNA atuou como um material de ligação codificável, transformando-os nos chamados equivalentes de átomos programáveis ​​(PAEs). Essa abordagem oferece controle excepcional sobre a forma e os parâmetros das redes cristalinas, pois as nanopartículas podem ser "programadas" para se organizarem de maneiras específicas, seguindo um conjunto de regras previamente desenvolvidas por Mirkin e seus colegas.

No entanto, até este ponto, os cientistas não tiveram como preparar reticulados com certas simetrias de cristal. Como muitos PAEs são isotrópicos - o que significa que suas estruturas são uniformes em todas as direções - eles tendem a se organizar em montagens altamente simétricas e é difícil criar redes de baixa simetria. Isso limitou os tipos de estruturas que podem ser sintetizadas e, portanto, as propriedades ópticas que podem ser obtidas com elas.

O avanço veio através de uma nova abordagem para controlar a valência. Em química, a valência está relacionada ao arranjo de elétrons ao redor de um átomo. Determina o número de ligações que o átomo pode formar e a geometria que assume. Com base em uma descoberta recente de que pequenos PAEs podem se comportar como equivalentes de elétrons, percorrendo e estabilizando redes de PAEs maiores, os pesquisadores da Northwestern e Michigan alteraram a valência de seus equivalentes de elétrons ajustando a densidade das fitas de DNA enxertadas em suas superfícies.

Em seguida, eles usaram microscopia eletrônica avançada para observar como a mudança da valência dos equivalentes eletrônicos afetou sua distribuição espacial entre os PAEs e, portanto, as redes resultantes. Eles também examinaram os efeitos da mudança de temperatura e alterando a proporção de PAEs para equivalentes de elétrons.

"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. Um, uma estrutura tripla de duplo giroide, não tem equivalente natural conhecido.

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 desenho e em aplicações que podem tirar proveito de suas propriedades raras e incomuns."

Glotzer é também o John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering, Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering e professor de ciência e engenharia de materiais, ciência e engenharia macromolecular e física na Universidade de Michigan. Byeongdu Lee, do Argonne National Laboratory, é autor correspondente com Mirkin e Glotzer. + Explorar mais

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