A natureza claramente gosta de simetria. Olhe para suas próprias mãos, por exemplo. Mas às vezes a natureza produz coisas assimétricas, e as razões nem sempre são claras.
O químico da Rice University Matthew Jones e sua equipe têm buscado respostas para essas perguntas sobre nanopartículas úteis – e agora parecem ter uma.

Um novo estudo de Jones, autor principal e pesquisador de pós-doutorado Muhua Sun e estudantes de pós-graduação Zhihua Cheng e Weiyin Chen demonstra como a quebra de simetria durante o crescimento de partículas forma de forma confiável nanocristais de tetraedro de ouro em forma de pirâmide.

Na quebra de simetria, pequenas flutuações em um sistema em desenvolvimento determinam o destino do sistema. Neste caso, aplica-se ao crescimento de cristais a partir de sementes em nanoescala que começam com uma rede atômica simétrica.

Os pesquisadores da Rice mostraram como equilibrar as forças termodinâmicas e cinéticas durante o processo de cristalização pode ser usado para inclinar o crescimento das partículas na direção desejada. Sua descoberta também abre um caminho para o uso de nanopartículas assimétricas como blocos de construção para metamateriais únicos.

O estudo na revista da American Chemical Society ACS Nano surge do trabalho apoiado pela Jones' Packard Fellowship, concedida em 2018 para ajudá-lo a buscar pesquisas em microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas (TEM).

A técnica desenvolvida por Jones e seu laboratório permite que os pesquisadores observem a formação de nanopartículas de metal único em líquido através de uma janela grande o suficiente para permitir a passagem de elétrons. Em uso geral, os microscópios eletrônicos de transmissão funcionam em alto vácuo e simplesmente evaporam os líquidos expostos.

Os pesquisadores observaram que as nanopartículas em forma de tetraedro são frequentemente encontradas como subprodutos de outros processos, mas fazê-las propositalmente no laboratório provou ser um desafio.

"Se uma partícula é um único cristal, geralmente herda a simetria da rede", disse Jones. "E os cristais tendem a ser altamente simétricos, como cubos ou dodecaedros rômbicos ou octaedros. Mas existem esses estranhos valores discrepantes que algumas pessoas vêem que misteriosamente têm uma simetria mais baixa do que a rede-mãe."

O novo estudo é o primeiro do laboratório de Jones a mostrar como funciona a técnica da célula líquida. A capacidade de fluir fluido contendo ligantes e precursores através da célula enquanto eles observam permitiu que eles se concentrassem no ponto em que o crescimento se desvia e redireciona a simetria do produto final de nanopartículas.

A chave parecia ser a velocidade de crescimento e as condições sob as quais os átomos de ouro tendiam a se ligar às partículas em suas pontas e bordas, em vez das faces termodinamicamente favorecidas.

"Agora que somos capazes de rastrear uma série de condições, conseguimos ver um espectro com crescimento cinético em uma extremidade e equilíbrio na outra", disse Jones. “O crescimento cinético é rápido e as saliências crescem muito rápido e não é muito bem controlado. Em equilíbrio, o crescimento é lento e o sistema faz o que quer, que é manter a simetria.

"Mas o TEM de célula líquida nos permitiu alterar uma variável em tempo real e ver o comportamento no meio, onde pudemos ver essa estranha simetria quebrando e uma partícula de tetraedro bem definida sair. Então concluímos que isso tinha que ser um equilíbrio entre equilíbrio e fatores cinéticos."

Jones disse que entender que o equilíbrio fundamental "deve ser generalizável para uma variedade de outras condições".

Ele disse que a descoberta também estabelece o TEM de células líquidas como uma ferramenta valiosa para a observação e análise de processos químicos dinâmicos, potencialmente eliminando muitas tentativas e erros na síntese de partículas para biomedicina, catálise ou nanofotônica.

"Não há nada como ser capaz de ver a coisa toda acontecer", disse ele. "Isso é o que esta técnica faz. Você não está atirando fótons em algo e depois tendo que fazer um monte de análises para interpretar os resultados. Você apenas observa o processo. Ver para crer." + Explorar mais

Origem da quebra de simetria no crescimento mediado por sementes de nano-heteroestruturas bimetálicas