O processo de como os cristais se formam em uma superfície plana, como mostrado nesta imagem do microscópio eletrônico, tem sido difícil de estudar em detalhes até agora. Crédito: Robert Macfarlane O processo de cristalização, no qual átomos ou moléculas se alinham em arranjos ordenados como soldados em formação, é a base de muitos dos materiais que definem a vida moderna, incluindo o silício em microchips e células solares. Porém, embora muitas aplicações úteis para cristais envolvam seu crescimento em superfícies sólidas (e não em solução), houve uma escassez de boas ferramentas para estudar esse tipo de crescimento. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e Draper encontrou uma maneira de reproduzir o crescimento de cristais nas superfícies, mas em uma escala maior que torna o processo muito mais fácil de estudar e analisar. A nova abordagem é descrita em um artigo na revista Nature Materials, de Robert Macfarlane e Leonardo Zomberg no MIT, e Diana Lewis Ph.D. 19 e David Carter em Draper. Em vez de montar esses cristais a partir de átomos reais, a chave para facilitar a observação e quantificação do processo foi o uso de “equivalentes de átomos programáveis”, ou PAEs, explica Macfarlane. Isso funciona porque a maneira como os átomos se alinham nas treliças de cristal é uma questão de geometria e não depende das propriedades químicas ou eletrônicas específicas de seus constituintes. A equipe usou nanopartículas esféricas de ouro, revestidas com fios únicos especialmente selecionados de DNA geneticamente modificado, dando às partículas aproximadamente a aparência de bolas de Koosh. As cadeias únicas de DNA têm a propriedade inerente de se prender firmemente às correspondentes cadeias recíprocas, para formar a hélice dupla clássica, de modo que essa configuração fornece uma maneira infalível de fazer com que as partículas se alinhem precisamente da maneira desejada. “Se eu colocar uma escova muito densa de DNA na partícula, ele criará o maior número possível de vínculos com o maior número possível de vizinhos”, diz Macfarlane. “E se você projetar tudo apropriadamente e processá-lo corretamente, eles formarão estruturas de cristal ordenadas”. Embora esse processo seja conhecido há alguns anos, este trabalho é o primeiro a aplicar esse princípio para estudar o crescimento de cristais em superfícies. “Compreender como os cristais crescem para cima a partir de uma superfície é incrivelmente importante para muitos campos diferentes”, diz ele. A indústria de semicondutores, por exemplo, baseia-se no crescimento de grandes materiais monocristalinos ou multicristalinos que devem ser controlados com grande precisão, mas os detalhes do processo são difíceis de estudar. É por isso que o uso de análogos grandes demais, como os PAEs, pode ser tão benéfico. Os PAEs, diz ele, “cristalizam exatamente nos mesmos caminhos que moléculas e átomos. E, portanto, eles são um sistema proxy muito bom para entender como ocorre a cristalização”. Com esse sistema, as propriedades do DNA determinam como as partículas se agrupam e a configuração 3D em que elas terminam. Eles projetaram o sistema de modo que os cristais nucleados e cresçam a partir de uma superfície e “adaptando as interações entre as partículas e entre as partículas e a superfície revestida de DNA, podemos ditar o tamanho, a forma, a orientação e o grau” de anisotropia (direcionalidade) no cristal “, diz Macfarlane. “Ao entender o processo que está passando para formar esses cristais, podemos potencialmente usá-lo para entender os processos de cristalização em geral”, acrescenta. Ele explica que não apenas as estruturas cristalinas resultantes são cerca de 100 vezes maiores que as atômicas reais, mas seus processos de formação também são muito mais lentos. A combinação facilita muito a análise do processo em detalhes. Os métodos anteriores de caracterizar essas estruturas cristalinas mostraram apenas seus estados finais, perdendo assim complexidades no processo de formação. “Eu poderia mudar a sequência de DNA. Posso alterar o número de filamentos de DNA na partícula. Posso alterar o tamanho da partícula e posso ajustar cada uma dessas alças individualmente de forma independente”, diz Macfarlane. “Então, se eu quisesse dizer: OK, eu suponho que essa estrutura em particular possa ser favorecida nessas condições se eu ajustar a energia dessa maneira, esse é um sistema muito mais fácil de estudar com os PAEs do que seria com átomos “. O sistema é muito eficaz, diz ele, mas as cadeias de DNA modificadas de uma maneira que permite a ligação às nanopartículas podem ser bastante caras. Como próximo passo, o laboratório Macfarlane também desenvolveu blocos de construção à base de polímeros que se mostram promissores na replicação desses mesmos processos e materiais de cristalização, mas podem ser fabricados de forma barata em escala multigrama. Mais Informações: Diana J. Lewis et al. Construções de super-partículas de nanopartículas de Winterbottom de cristal único, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038 / s41563-020-0643-6 Esta história é republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT. Citação: Técnica revela como os cristais se formam nas superfícies (2020, 2 de abril) consultado em 3 de abril de 2020 https://phys.org/news/2020-04-technique-reveals-crystals-surfaces.html Este documento está sujeito a direitos autorais. Além de qualquer negociação justa para fins de estudo ou pesquisa privada, nenhuma parte pode ser reproduzida sem a permissão por escrito. O conteúdo é fornecido apenas para fins informativos.
Técnica revela como os cristais se formam nas superfícies
