Pela primeira vez, cientistas e engenheiros observaram em tempo real como dois tipos de nanopartículas feitas de materiais diferentes se combinam em novos materiais compósitos. As descobertas, relatadas por uma equipe liderada pela Universidade da Pensilvânia e pela Universidade de Michigan, podem ajudar os engenheiros a ter mais controle sobre a montagem de materiais que combinam as propriedades desejáveis ​​de cada partícula – como fotoluminescência, magnetismo e capacidade de conduzir eletricidade.



"Estamos projetando novos materiais que combinam diferentes tipos de funções de maneiras que não são possíveis com os materiais que temos hoje", disse Sharon Glotzer, presidente do Departamento de Engenharia Química Anthony C. Lembke da Universidade de Michigan e coautor correspondente. do estudo publicado na Nature Synthesis .

As estruturas compostas são um tipo de superrede nanocristal binária e podem ser usadas para dispositivos eletrônicos, dispositivos ópticos e produção e armazenamento de energia.

“A combinação de nanopartículas fotoluminescentes e magnéticas, por exemplo, poderia permitir alterar a cor de um laser usando um campo magnético”, disse Emanuele Marino, coautor do artigo e ex-pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia.

Os engenheiros normalmente criam superredes binárias de nanocristais misturando blocos de construção de nanopartículas em uma solução e deixando uma gota da solução secar. À medida que a gota encolhe, as partículas se combinam nas superestruturas desejadas. Os engenheiros então atingiram os cristais com raios X para ver as estruturas nanocristais resultantes. Cada estrutura cristalina dispersa os raios X em um padrão único, que serve como uma impressão digital para identificar os cristais.

Ver como esses cristais se agrupam em tempo real tem sido um desafio científico porque eles se formam muito rápido para a maioria das técnicas de dispersão de raios X. Sem ver os passos que conduzem à estrutura final, os cientistas ficam a adivinhar como é que as suas misturas de nanocristais conduzem às superestruturas.

"Descobrir como esses materiais reagem entre si nos permitirá construir uma biblioteca mais abrangente das estruturas que eles podem formar quando se combinam", disse Christopher Murray, professor de química da Universidade Richard Perry na Universidade da Pensilvânia e co-correspondente. autor do estudo.

A equipe criou as primeiras medições de dispersão de raios X em tempo real das superredes, desacelerando o processo de montagem e usando técnicas mais rápidas de dispersão de raios X com a ajuda da Fonte Nacional de Luz Síncrotron II no Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova York.

“O alto fluxo de raios X da instalação e a rápida coleta de dados poderiam acompanhar as velocidades de formação dos cristais”, disse Esther Tsai, cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven e coautora do estudo.

Para retardar a montagem da rede, os pesquisadores misturaram diferentes nanopartículas em uma emulsão de óleo – quase como um molho de salada magnético – e depois colocaram a emulsão em água. A mistura de nanopartículas encolheu à medida que o óleo se difundiu na água, mas muito mais lentamente em comparação com o método convencional de secagem ao ar.

Após uma fase inicial de crescimento rápido que dura até cinco minutos, os nanocristais se unem expelindo lentamente o restante do óleo durante três a cinco horas.

Observar os cristais nascentes permitiu à equipe da Universidade de Michigan derivar a física que explica como as redes se formaram, modelando o processo com simulações de computador.

"Com informações temporais de experimentos, podemos construir um modelo preditivo que reproduz não apenas a estrutura final, mas todo o caminho de montagem da estrutura", disse Sharon Glotzer, presidente do Departamento de Engenharia Química Anthony C Lembke da Universidade de Michigan e co- autor correspondente do estudo.

A equipe descobriu que a montagem da superrede de nanocristais binários ocorre através de atrações de curto alcance entre os blocos de construção das nanopartículas, independentemente do tipo de nanopartícula usada, e "confirmou ainda que nenhuma fase intermediária se formou antes do cristal final, e a superfície das gotículas de emulsão não se formou. não desempenham um papel na formação do cristal", disse Allen LaCour, ex-aluno de doutorado em engenharia química na Universidade de Michigan e coautor do estudo.

Sem outros fatores explicativos, as simulações concluíram que a força das interações dos nanocristais é o principal fator que determina a estrutura da superrede nas gotículas que se encolhem. A força da interação pode ser alterada com o tamanho e a carga elétrica das partículas, ou com a adição de certos elementos às partículas. Os modelos computacionais da equipe da U-M podem simular os impactos dessas mudanças.

Mais informações: Emanuele Marino et al, Cristalização de superredes nanocristais binárias e a relevância da atração de curto alcance, Nature Synthesis (2023). DOI:10.1038/s44160-023-00407-2
Informações do diário: Síntese da Natureza

Fornecido pela Universidade de Michigan