As nanopartículas são superminúsculas – tão pequenas quanto um nanômetro, ou um bilionésimo de metro – e são de grande interesse para os cientistas de materiais por suas propriedades físicas e químicas únicas. Eles não podem ser detectados a olho nu e requerem um microscópio eletrônico altamente especializado para serem vistos.



Na verdade, os avanços nas tecnologias de imagem durante a década de 1990 e início de 2000 foram o que tornou possível o campo da nanociência, diz Anne Bentley, membro do corpo docente do Departamento de Química do Lewis &Clark College em Portland, Oregon.

“Acho que muita química está fora do que as pessoas podem ter nas mãos”, diz ela. "Você pode obter evidências sobre o que está acontecendo, mas ainda está investigando algo que está em uma escala muito pequena para ser vista pelos seus olhos. Qualquer coisa que você possa fazer para aumentar a escala é útil."

Então a Bentley fez exatamente isso, criando modelos 3D das formas geométricas mais simples que as nanopartículas formam. Ela disponibilizou as instruções para a criação desses modelos, seja em papel ou em material de impressão 3D, como parte de um artigo de sua coautoria, publicado no Journal of Chemical Education. , chamado "Um manual sobre planos de rede, facetas de cristal e controle de formato de nanopartículas".

Uma cartilha para estudantes de química de materiais

As nanopartículas vêm em diferentes formas geométricas e são cristalinas ou compostas de átomos dispostos em um padrão que se repete em três dimensões. As formas exibem superfícies planas, chamadas planos ou facetas, semelhantes aos cortes de uma pedra preciosa. A disposição dos átomos nessas superfícies cristalinas influencia as propriedades especiais do material, diz Bentley.

“As formas são derivadas desse empacotamento dos átomos”, diz ela. "A motivação para criar formas diferentes realmente se resume ao arranjo dos átomos quando o material é fatiado de diferentes maneiras em diferentes planos cristalinos."

No artigo, Bentley concentra-se em formas de baixo índice, que ela descreve como as três maneiras mais simples de fatiar a estrutura.

"Existem muitas maneiras mais complexas de cortá-lo, mas estas são as três maneiras fundamentais de fazê-lo, tornando-os com seis, oito ou doze lados - cubos, octaedros ou dodecaedros rômbicos. Foi uma escolha natural focar em esses três para o artigo."

Transformando uma 'confusão de números' em formas

“A nanociência é um tema que se enquadra entre a química e a física no currículo, mas também entre a pesquisa de graduação e pós-graduação”, diz Bentley.

"É importante que os químicos de materiais iniciais tenham uma compreensão fundamental dos planos cristalinos, facetas e direções de crescimento. Eles também precisam entender o sistema de notação de três dígitos usado para indexar esses atributos, conhecido como índices de Miller. Caso contrário, este sistema pode parece uma misteriosa confusão de números."

Ela sentiu que era importante fornecer uma base de conhecimento num formato acessível que pudesse ajudar os educadores a introduzir este campo importante e crescente. Embora estruturas mais complexas do que os modelos impressos em 3D possam ser criadas digitalmente através de programas de simulação de computador, Bentley acredita que há vantagens em poder segurar os modelos nas mãos.

“Gosto de coisas que posso ver e pensar”, diz ela, acrescentando que os modelos 3D são particularmente úteis para gerar uma compreensão deste tópico-chave da nanociência.

Crescer partículas de ouro para converter dióxido de carbono

No laboratório de Bentley, ela e os alunos trabalham na manipulação de átomos de ouro em frascos de líquido para controlar as formas das nanopartículas.

“Você precisa apenas criar as condições certas e as temperaturas certas, todo um ambiente que seja propício ao cultivo de uma forma específica”, diz ela.

Bentley estuda nanopartículas de ouro, que são notáveis ​​por suas propriedades catalíticas ou capacidade de acelerar reações químicas. A forma como o material é fatiado expõe diferentes padrões de átomos, explica ela. Pesquisas anteriores identificaram que um formato específico de nanopartícula de ouro, o dodecaedro rômbico de 12 lados, é mais eficaz para converter dióxido de carbono em materiais combustíveis.

“É como reciclar”, diz Bentley. "Esse formato de nanopartícula não apenas permite aos pesquisadores remover o dióxido de carbono da atmosfera, mas também permite que eles o transformem novamente em algum tipo de combustível que possa ser usado. Portanto, se pudermos cultivar partículas que tenham apenas essa faceta, isso será uma vantagem real."

Mais informações: Anne K. Bentley et al, A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control, Journal of Chemical Education (2023). DOI:10.1021/acs.jchemed.3c00371
Informações do diário: Jornal de Educação Química

Fornecido por Lewis &Clark College