A plumagem brilhante dos pássaros costuma ser um deleite para os olhos, mas tem sido uma dor de cabeça para os cientistas que têm lutado para recriar as nanoestruturas fotônicas que geram essas cores em laboratório.



Parte do desafio é desenvolver estruturas na estranha escala de algumas centenas de nanômetros:grandes demais para a química molecular, mas pequenas demais para a fabricação direta.

Uma equipe liderada por Eric Dufresne, professor com nomeações conjuntas no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Cornell Engineering e no Departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências, desenvolveu um método para projetar eficientemente essas intrincadas nanoestruturas através de uma forma de separação de fases – um processo semelhante ao modo como a água e o óleo se desacoplam no molho para salada.

Os materiais resultantes podem ser úteis em uma variedade de aplicações, desde a produção de pigmentos sustentáveis ​​até o armazenamento e filtração de energia.

O artigo da equipe, "Elastic Microphase Separation Produces Robust Bicontinuous Materials", publicado na Nature Materials . A autora principal é Carla Fernández-Rico, pesquisadora de pós-doutorado na ETH Zurique.

Durante anos, a Dufresne encontrou inspiração no mundo natural. Ao estudar o funcionamento interno de sistemas vivos, como pássaros e insetos, ele procura descobrir novos mecanismos físicos que possam informar o design de materiais sintéticos funcionais.

Para o seu mais recente projecto, a equipa de Dufresne decidiu criar um material "bicontínuo", que ele descreve como contendo duas "redes malucas e interpenetrantes" - borracha e petróleo - que estão perfeitamente entrelaçadas numa estrutura precisamente definida, mas nunca sacrificam a sua própria identidade ou características.

“Em uma esponja, o fluido e o sólido estão entrelaçados”, disse Dufresne. "Juntos, eles podem fazer mais do que a soma de suas partes. Reunir dois materiais de maneira semelhante em nanoescala pode desbloquear novas funcionalidades, mas apresenta todos os tipos de desafios."

No passado, os cientistas de materiais se concentraram em duas abordagens para fazer nanoestruturas bicontínuas:automontagem e separação de fases.

“Ou você começa com blocos de construção do tamanho que procura e os monta. Ou você pega uma mistura de moléculas que não gostam umas das outras, como óleo e água. para controlar os tamanhos das estruturas que eles fazem", disse Dufresne. "Queríamos ter todo o controle obtido com o método de montagem, mas manter a simplicidade e o baixo custo do método de separação."

Em seu novo artigo, a equipe de Dufresne apresenta uma estratégia chamada Elastic MicroPhase Separation (EMPS). O experimento inicial foi decididamente de baixa tecnologia. Eles submergiram um pedaço de borracha de silicone – ou seja, “a matriz elástica” – em um banho de óleo fluorado – essencialmente Teflon líquido – e o aqueceram em um forno a 60 graus Celsius. Após alguns dias, depois que o óleo foi absorvido pela borracha, os pesquisadores deixaram-no esfriar até a temperatura ambiente.

"À temperatura ambiente, o óleo e a borracha não gostam de estar no mesmo lugar. E formam uma estrutura incrivelmente complexa", disse Dufresne. “Hospedar o processo de separação dentro da borracha evita que o óleo separado forme um grande caroço, como no molho para salada.”

O verdadeiro desafio foi medir e interpretar seus resultados. As nanoestruturas eram pouco visíveis em um microscópio óptico normal, mas o material era muito “mole” para um microscópio eletrônico. A equipe recorreu à microscopia de fluorescência 3D, que revelou ter criado com sucesso um material bicontínuo no tamanho desejado.

Embora os pesquisadores estejam entusiasmados com as possibilidades de sua nova abordagem, eles ainda não têm certeza de como ela funciona.

“Podemos dar uma série de razões pelas quais não deveria ter funcionado, mas funcionou”, disse Dufresne. "É por isso que não é apenas uma contribuição emocionante de engenharia, é também uma coisa emocionante de física, porque realmente não sabemos qual é o mecanismo real. Sabemos que podemos obter uma variedade de diferentes tipos de estruturas, que podemos ajustar alterando os diferentes tipos de borracha de silicone Então, estamos tentando entender por que isso acontece e quais são suas limitações. Podemos tornar as coisas muito menores. Isso foi realmente apenas uma prova de conceito. para estruturar uma gama mais ampla de materiais para aplicações potencialmente úteis."

Mais informações: Fernández-Rico, C. et al. A separação elástica por microfases produz materiais bicontínuos robustos, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade Cornell