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Nanopartículas Para Produzir Novos Materiais

Simulação computadorizada mostra como formas poliédricas se organizam em estruturas maiores e parecidas com cristais

John Matson
Cortesia de Michael Engel
A maioria das 145 formas poliédricas estudadas se aglomerou em arranjos cristalinos ou parecidos com cristais.
Pesquisadores descobriram que assim como pessoas podem formar uma pirâmide humana, muitas partículas são capazes de se agregar em superestruturas organizadas.  No novo estudo, pesquisadores da University of Michigan fizeram uma pesquisa sobre como a forma das partículas leva à formação de estruturas maiores, parecidas com cristais, e descobriram que “tijolinhos minúsculos” conhecidos como nanopartículas se auto-organizam em padrões intricados ao serem forçados a dividir espaço com seus vizinhos.

A pesquisa, publicada na Science em 27 de julho, poderia ajudar a prever o comportamento de nanopartículas projetadas e construir materiais personalizados a partir de blocos relativamente simples que se auto-organizam. O objetivo de longo prazo é projetar novos materiais. “Queremos coisas novas e melhores”, declara Sharon Glotzer, coautora do estudo e professora de engenharia química, ciência de materiais e física de Michigan.

Em vez de produzir incontáveis partículas e monitorar sua auto-organização a partir de várias condições iniciais, o grupo usou simulações computadorizadas para explorar as propriedades de partículas hipotéticas de 145 formas poliédricas idealizadas (um poliedro é um sólido formado por faces planas).

As simulações mostraram que quando colocada próxima a partículas de formas idênticas, a maioria desses poliedros se organizava em um trançado cristalino ou em um arranjo semelhante ao cristal. Além disso, a propensão a auto-organização de uma forma acabou se mostrando fortemente relacionada a duas quantidades simples que descrevem a forma e o arranjo inicial de uma partícula.

Glotzer e seus colegas já haviam descoberto que as formas de algumas partículas se auto-organizam naturalmente, mas as novas simulações mostraram que esse comportamento é a regra, não a exceção. Algumas das formas se organizavam em cristais regulares – estruturas em que cada partícula tem uma posição e orientação fixas – e outras formavam cristais plásticos ou líquidos. Em um cristal plástico, cada partícula tem uma posição fixa na estrutura, mas pode girar; um cristal líquido, por outro lado, contém partículas com orientações correlatas, mas posições intercambiáveis. Ao todo, 101 das 145 formas poliédricas se organizaram em uma dessas estruturas ordenadas. “Eu não teria apostado que a maioria das formas se organizaria em um cristal ou em um arranjo cristalino”, confessa Glotzer. “A facilidade de cristalização dessas partículas foi uma surpresa”.

Além disso, algumas das formas apresentaram um processo de organização impressionantemente coordenado. Uma forma piramidal com base quadrada, por exemplo, se juntou em “supercubos” de seis pirâmides cada, que por sua vez formaram uma estrutura cúbica maior. “Descobrimos que muitas partículas formam estruturas incrivelmente complexas”, explica Glotzer. “O sistema como um todo tem que perceber que aquela é a melhor maneira de organizar as coisas”.

Os pesquisadores descobriram também que o comportamento coletivo de um certo tipo de partícula estava longe de ser aleatório. Na verdade, dois números quase preveem o resultado das simulações de formação de cristais. Um número chamado de quociente isoperimétrico, que captura aproximadamente a forma de uma partícula com base apenas em seu volume e área de superfície, e uma medida chamada de número de coordenação, que descreve quantos vizinhos próximos uma partícula tem, previram 94% das vezes quais formas cristalinas um poliedro assumiria. Em termos gerais, poliedros planos, achatados – como o corte horizontal de uma coluna hexagonal – tendiam a formar cristais líquidos. Partículas multifacetadas, de forma quase esférica, favoreciam o desenvolvimento de cristais plásticos. E o domínio dos cristais regulares contém muitas formas familiares – cubos, prismas triangulares, romboedros de lados inclinados. E a relação entre forma e auto-organização poderia ser usada para projetar nanopartículas que exibissem comportamentos coletivos específicos.

Mesmo os 44 poliedros que resistiram à auto-organização puderam fornecer ideias para futuros materiais projetados. “Em alguns casos nós ficamos rodando [a simulação] e não conseguimos fazê-los formar nada”, lamenta Glotzer. “Mas para cada uma dessas partículas que não se cristaliza, há outra com quase a mesma aparência que se cristaliza sempre”. Se pesquisadores conseguirem descobrir o que, exatamente, faz uma partícula se organizar em um cristal enquanto sua quase-gêmea permanece em um estado desordenado, eles podem ser capazes de projetar partículas mutantes (shape-shifter particles) com propriedades coletivas que se transformariam com uma leve alteração estrutural em cada um dos “tijolinhos”.
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