Os mesocristais são uma classe de sólidos formados pelo arranjo regular de nanocristais, que são pequenas nanopartículas que possuem propriedades únicas devido ao seu pequeno tamanho. Nos mesocristais, estes assumem uma forma altamente organizada e superordenada em uma grade densamente compactada. Uma equipe de pesquisa alemã-suíça liderada pelo professor Helmut Cölfen, um químico de Konstanz, conseguiu sintetizar mesocristais particularmente complexos com propriedades químicas e físicas amplamente desconhecidas e esclarecer sua estrutura.
O que é tão especial? Dois nanocristais diferentes – cubos de platina e magnetita – são os blocos de construção básicos dos novos sólidos que se automontam em uma superestrutura tridimensional. Até agora, os mesocristais de dois blocos de construção básicos diferentes, chamados mesocristais binários, só podiam ser produzidos como estruturas bidimensionais.

A via sintética e a caracterização estrutural dos mesocristais binários 3D de nanocristais de platina e magnetita acabam de ser descritas na revista Angewandte Chemie International Edition . Os resultados do estudo são o primeiro passo em direção a um potencial "sistema de conjunto de construção" que pode tornar possível no futuro combinar as propriedades de diferentes nanocristais de maneira direcionada e transferi-los para o micromundo mais gerenciável - resultando em uma infinidade de de possíveis vantagens e aplicações.

Nanotecnologia na Roma Antiga

Os blocos básicos de construção dos mesocristais são os nanocristais. Devido ao seu pequeno tamanho, que pode ser ainda menor que o dos vírus, eles apresentam propriedades únicas que as partículas maiores do mesmo material não possuem. Isso inclui o 'efeito de tamanho quântico' de som complicado, que pode ser observado em nanopartículas semicondutoras com diâmetro na faixa de nanômetros, resultando em cor dependente do tamanho, que desempenha um papel importante na produção de LEDs, entre outras coisas. Outro exemplo é o efeito de ressonância de plasmon de superfície, que dá às nanopartículas metálicas propriedades ópticas dependentes do tamanho.

A humanidade fez uso de algumas dessas nanopropriedades desde os tempos do Império Romano. Um exemplo famoso é a Taça de Licurgo do século IV, agora exposta no Museu Britânico, cujos elementos de vidro mudam de cor dependendo da incidência de luz e do ângulo de visão. O motivo:o vidro da xícara é impregnado com nanopartículas de ouro e prata que demonstram o efeito de ressonância plasmônica de superfície. As cores fortes e duráveis ​​das janelas das igrejas medievais também se baseiam nesse efeito, pois há nanopartículas de ouro lançadas no vidro das janelas.

O melhor de dois mundos

"Ao criar mesocristais a partir de nanocristais, agora pode ser possível transferir essas e outras propriedades, que antes eram reservadas para os menores sólidos, para sólidos com tamanhos na faixa de micrômetros", explica Helmut Cölfen, professor de físico-química da Universidade de Konstanz e chefe do projeto de pesquisa. "Isso torna os mesocristais objetos extremamente interessantes na pesquisa de materiais."

A escala micrométrica inclui objetos até 100.000 vezes maiores que as nanopartículas, o que ainda é muito pequeno, mas faz uma enorme diferença na maneabilidade das partículas. Por exemplo, partículas com tamanhos na faixa de micrômetros podem ser filtradas muito melhor do que as nanopartículas. No caso de sólidos como mesocristais, isso também elimina uma desvantagem decisiva das nanopartículas:sua toxicidade potencial. No passado, as nanopartículas tornaram-se cada vez mais o foco da pesquisa em saúde, pois podem facilmente entrar no corpo através da pele, alimentos ou respiração quando em estado livre. "Devido ao seu pequeno tamanho, as nanopartículas podem superar importantes barreiras protetoras do corpo humano. Os mesocristais significativamente maiores, por outro lado, não podem", diz Helmut Cölfen.

Alcançar a meta com paciência

Conforme descrito no estudo atual, para produzir os mesocristais binários 3D até agora únicos a partir de nanocristais de platina e magnetita descritos no estudo atual, esses blocos de construção básicos em forma de cubo são primeiro colocados em um solvente e uma dispersão é criada. A proporção de mistura desempenha aqui um papel decisivo e mais tarde se reflete na composição do mesocristal. "Se pegássemos uma gota da mistura de blocos de construção e simplesmente deixássemos o solvente evaporar, também obteríamos um mesocristal binário, mas seria bidimensional em vez de tridimensional. Portanto, tivemos que criar algo novo para criar mesocristais tridimensionais", relata Helmut Cölfen.

A chave para o sucesso:Desaceleração. Para isso, a dispersão com os nanocristais é colocada em um recipiente fechado adicional contendo um produto químico no qual os nanocristais não podem se dissolver - um "não-solvente", por assim dizer. Depois disso, é só esperar e ver. Lentamente, ao longo de vários dias, o não solvente evapora gradualmente e se mistura cada vez mais com a dispersão de nanocristais. "Em algum momento, os nanocristais começam a interagir acoplando-se uns aos outros devido ao aumento de não solvente na dispersão. Normalmente, algo assim acontece de forma rápida e incontrolável. Ao estender o processo via evaporação do não solvente sobre vários dias e, assim, reduzindo o efeito do solvente real apenas gradualmente em vez de repentinamente, o processo é muito mais controlado. O resultado do nosso método é 'grandes', mesocristais tridimensionais", explica Helmut Cölfen.

Propriedades novas e inexploradas emergem

Depois que os químicos de Konstanz liderados por Helmut Cölfen sintetizaram com sucesso os mesocristais tridimensionais, eles caracterizaram sua estrutura exata em cooperação com colegas suíços do Centro de Análise de Raios-X dos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais (Empa) em St. Gallen e o Instituto Paul Scherrer (PSI) em Villingen. Eles foram capazes de demonstrar que mesocristais binários tridimensionais reais de nanocristais de platina e magnetita são formados durante a síntese. Até agora, os pesquisadores só podem especular sobre as propriedades físicas e químicas completas desses novos sólidos.

A combinação das duas propriedades resultaria então em um catalisador químico muito bom devido ao componente de platina, que por sua vez poderia ser facilmente separado e recuperado com um ímã após o uso devido ao componente de magnetita. O valioso material platina não seria perdido. No entanto, os mesocristais não apenas preservam as propriedades dos nanocristais que contêm, mas também possuem propriedades que vão além daquelas de seus blocos de construção individuais. "Quando os nanocristais individuais interagem e se acoplam na estrutura superordenada do mesocristal, são criadas propriedades coletivas completamente novas que as próprias partículas individuais não têm", explica Helmut Cölfen com entusiasmo e continua:"Explorando-as em detalhes no futuro será extremamente emocionante."

O primeiro passo para um possível sistema de kit de construção

A produção de mesocristais tridimensionais a partir de nanocubos de platina e magnetita não deve ser o fim da história. Pelo contrário, o objetivo é combinar outros nanocristais também no futuro usando o processo desenvolvido. De acordo com os pesquisadores, seus resultados são o primeiro passo em direção a um potencial sistema de kit de construção:"Nosso objetivo é refinar o método para que, idealmente, uma ampla variedade de nanocristais e suas propriedades possam ser combinadas da maneira que quisermos - tipo como tijolos LEGO", Helmut Cölfen dá uma perspectiva e continua com um sorriso:"O mesocristal de magnetita de platina seria então a primeira pequena torre, por assim dizer, que construímos com nossas pedras."

"Produzir estruturas como nossos mesocristais binários tridimensionais foi precisamente um dos objetivos deste Centro de Pesquisa Colaborativa. O que precisamos fazer agora é caracterizar as interações entre os nano blocos de construção e estudar as novas propriedades resultantes", conclui Helmut Colfen. + Explorar mais

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