Ph.D. O estudante Marloes Bistervels, do grupo de pesquisa Self-Organizing Matter da AMOLF, conseguiu usar a luz para controlar com muita precisão a formação de nanocompósitos na forma de corais e vasos. Ao iluminar uma solução dos ingredientes certos com luz UV, ela pode controlar onde, quando e quais estruturas surgem na escala micrométrica. Hoje, ela publicou suas descobertas na revista científica Advanced Materials .
Por vários anos, o grupo produziu belas estruturas cristalinas em nanoescala que variam de corais e vasos a hélices. Essas estruturas se formam espontaneamente a partir de vários produtos químicos em um processo chamado automontagem. A sua forma depende da quantidade e do tipo de substâncias misturadas. A pesquisa visa compreender e controlar o processo.

Houve algum sucesso nesse sentido. Por exemplo, os pesquisadores podem escolher se querem produzir um coral ou um vaso, mas não onde ou quando o crescimento começa. "O processo ainda contém uma forma de caos. Continua sendo um processo espontâneo sobre o qual gostaríamos de ter mais controle", diz o líder do grupo Wim Noorduin. Bistervels mostrou agora que a luz é altamente adequada para conseguir isso. Com um raio estreito de luz UV, ela pode influenciar de forma muito precisa e seletiva uma reação química na escala micrométrica.

Alternar para reação química

As estruturas fluorescentes que os pesquisadores produzem surgem como resultado de uma simples reação química. São compostos de duas substâncias:carbonato de bário e silício. Assim que os cristais de carbonato de bário se formam na solução, o silício se junta e precipita junto com os cristais, dando origem às formas incomuns. Um pouquinho de CO₂ gás na solução inicia este processo. Se alguém pudesse garantir que CO₂ surge no local e tempo exatos desejados, isso resultaria em um interruptor liga-desliga para a reação química.

Agora temos esse interruptor. Ao iluminar a solução com uma lâmpada UV (semelhante à de um solário), um dos produtos químicos na solução se decompõe e forma CO₂ no local exato onde a luz brilha.

Microscópio exclusivo

Bistervels rapidamente viu que sua ideia funcionava, mas que o microscópio padrão que ela queria usar para tornar visíveis as estruturas fluorescentes não funcionava bem em combinação com a lâmpada UV. Ela, portanto, construiu um microscópio especial junto com os técnicos Marko Kamp e Hinco Schoenmaker. Com este microscópio, é possível controlar a luz UV com muita precisão, mesmo remotamente de casa. Pode-se ver imediatamente os cristais formados através do microscópio e, se necessário, ajustar o processo de automontagem. Fred Brouwer, professor de fotoquímica da Universidade de Amsterdã, ajudou os pesquisadores com seu conhecimento sobre luz e reações químicas. "Graças a essas colaborações únicas, conseguimos combinar os pontos fortes de químicos e físicos. Aprendi muito com isso", diz Bistervels.

Bistervels demonstrou que, com essa abordagem, pode-se exercer um controle considerável sobre as estruturas que se formam. Ela construiu uma hélice e um coral próximos um do outro, simplesmente movendo o raio de luz levemente e fazendo um pequeno ajuste na reação química. Além disso, ela demonstrou que um número muito grande de cristais pode ser produzido um ao lado do outro em um padrão. "Esses experimentos não são triviais", diz ela. "Você precisa de condições diferentes e um controle multifacetado sobre o tempo e a localização."

O experimento mais peculiar foi traçar uma linha, afirmam os pesquisadores. Embora isso possa parecer nada espetacular, Bistervels diz:"Isso demonstra quanto controle temos. Domar a direção em que os cristais crescem é uma conquista incrível. Você controla um processo em nanoescala e vê o resultado a olho nu. "

Controlando a biomineralização

As estruturas são mais do que apenas um espetáculo para ser visto. Ao aprender como podem usar a luz para controlar o desenvolvimento das estruturas, os pesquisadores adquiriram importantes conhecimentos sobre automontagem. "Podemos aplicar os métodos para manipular reações químicas locais a sistemas de automontagem semelhantes. Além disso, vemos possibilidades de usar esses novos métodos para obter uma melhor compreensão da biomineralização na natureza, como a formação do osso", diz Noorduin.

Em outro projeto, o grupo Self-Organizing Matter conseguiu converter os cristais em semicondutores. Estes são materiais vitais para células solares, LEDs e chips de computador. Noorduin explica:"Se pudermos produzir semicondutores de qualquer forma desejada sem a necessidade de uma sala limpa cara e complexa, isso ofereceria possibilidades interessantes. Um exemplo é a fabricação de componentes eletrônicos por meio de automontagem. como podemos controlar estruturas tridimensionais, para que possamos posteriormente produzir padrões." + Explorar mais

Do esqueleto do ouriço-do-mar à célula solar