Inspirados pela natureza, os pesquisadores de nanotecnologia identificaram a 'curvatura espontânea' como o fator-chave que determina como os materiais artificiais ultrafinos podem se transformar em tubos, torções e hélices úteis.



Uma maior compreensão deste processo – que imita a forma como algumas vagens se abrem na natureza – poderia desbloquear uma série de novos materiais quirais que são 1.000 vezes mais finos que um fio de cabelo humano, com potencial para melhorar o design de dispositivos ópticos, electrónicos e mecânicos.

As formas quirais são estruturas que não podem ser sobrepostas à sua imagem espelhada, da mesma forma que a sua mão esquerda é uma imagem espelhada da sua mão direita, mas não pode caber perfeitamente em cima dela.

A curvatura espontânea induzida por moléculas minúsculas pode ser usada para alterar a forma de nanocristais finos, influenciada pela largura, espessura e simetria do cristal.

A pesquisa, publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences , foi conduzido por membros do Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) na França, em conjunto com seus colegas do Centro de Excelência em Ciência Exciton ARC, com sede na Universidade de Sydney.

Mudança de forma em nanoescala

Imagine um pedaço de papel que, quando mergulhado em uma solução, torce ou enrola em espiral sem qualquer força externa. Isto é semelhante ao que acontece em nanoescala com certos materiais finos.

Os pesquisadores descobriram que quando certos tipos de nanoplacas semicondutoras – cristais planos e extremamente finos – são revestidos com uma camada de moléculas orgânicas chamadas ligantes, elas se enrolam em formas complexas, incluindo tubos, torções e hélices. Esta transformação é impulsionada pelas diferentes forças que os ligantes aplicam às superfícies superior e inferior das nanoplacas.

A importância desta descoberta reside na capacidade de prever e controlar a forma destas nanoplacas, compreendendo a interação entre os ligantes e a superfície das nanoplacas.

Do design da natureza à inovação em nanoescala

A inspiração para esta pesquisa vem da observação de fenômenos naturais onde predominam estruturas helicoidais, desde o DNA em nossas células até a torção espontânea das vagens. Essas estruturas possuem propriedades únicas que são altamente desejáveis ​​na ciência dos materiais por suas aplicações potenciais em mecânica, eletrônica e óptica.

As nanoplacas, com sua capacidade de formar estruturas helicoidais e propriedades ópticas excepcionais devido ao confinamento quântico, destacam-se como principais candidatas para a criação de novos materiais com características específicas. Estes podem incluir materiais que refletem seletivamente a luz, conduzem eletricidade de maneiras inovadoras ou possuem propriedades mecânicas únicas.

Uma estrutura para tecnologias futuras

As implicações desta pesquisa são consideráveis. Ao fornecer uma estrutura para compreender e controlar a forma das nanoplacas, os cientistas têm uma nova ferramenta para projetar materiais com propriedades ajustadas com precisão para uso em tecnologias que vão desde a eletrônica avançada até materiais inteligentes e responsivos.

Por exemplo, as nanoplacas poderiam ser projetadas para mudar de forma em resposta às condições ambientais, como temperatura ou luz, abrindo caminho para materiais que se adaptem e respondam ao ambiente. Isso poderia levar a avanços na criação de sensores mais eficientes.

Além disso, o estudo sugere a possibilidade de criar materiais que possam alternar entre diferentes formatos com um consumo mínimo de energia, uma característica que poderia ser explorada no desenvolvimento de novas formas de atuadores ou interruptores em nanoescala.

Mais informações: Debora Monego et al, Curvaturas incompatíveis induzidas por ligantes controlam o polimorfismo e a quiralidade de nanoplaquetas ultrafinas, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316299121
Fornecido pelo Centro de Excelência ARC em Ciência Exciton