Aproximantes metálicos hexagonais médios ajudam a preencher a lacuna entre quasicristais e estruturas moduladas

Por muito tempo, cientistas associaram estruturas cristalinas a um arranjo ordenado de átomos em um padrão repetitivo semelhante a uma rede, acreditando ser a configuração mais estável. No entanto, na década de 1960, avanços na cristalografia revelaram materiais que não se encaixavam no modelo tradicional. Essas estruturas exibem um padrão não periódico ou não repetitivo e são chamadas de cristais aperiódicos.

Existem dois tipos de cristais aperiódicos: quasicristais (QCs), que exibem arranjos ordenados, mas aperiódicos, e estruturas moduladas incomensuravelmente (IC), onde uma estrutura de rede periódica tridimensional é distorcida por variação espacial ou modulações. Esses materiais possuem propriedades distintas daquelas dos cristais periódicos comuns, mas a relação entre eles permanece amplamente inexplorada.

Em um estudo publicado na revista Comunicações da Naturezapesquisadores liderados pelo Professor Associado Akihisa Koga do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia de Tóquio construíram uma estrutura de favo de mel localmente periódica. Eles organizaram ladrilhos hexagonais pequenos (S) e grandes (L), bem como paralelogramos (P), em um espaço bidimensional de acordo com meios metálicos (generalizações das bem conhecidas proporções de ouro e prata), introduzindo modulações para gerar um padrão de ladrilhos de favo de mel representando uma estrutura modulada desproporcionalmente.

“Apresentamos aproximações metálicas médias hexagonais da rede em favo de mel, que preenchem a lacuna entre quasicristais e estruturas moduladas desproporcionalmente”, diz Koga.

A aperiodicidade está intimamente ligada à distância entre as posições atômicas na rede cristalina. Em quasicristais, essas distâncias são definidas como números irracionais bloqueados por escalas de dois comprimentos, enquanto em estruturas moduladas por IC, elas não são fixas.

Os pesquisadores aplicaram uma aproximação aperiódica para organizar os ladrilhos dentro da rede cristalina. Eles variaram a característica irracional na rede de acordo com meios metálicos, como a média áurea, média prateada e média bronze. Especificamente, eles organizaram os ladrilhos de modo que a proporção entre o comprimento longo (representando o tamanho do hexágono grande) e o comprimento curto (com base no lado do hexágono pequeno e do ladrilho paralelogramo) correspondesse a diferentes meios metálicos.

Inicialmente, organizar os tiles tomando a média áurea como a razão de comprimento resultou em grandes tiles hexagonais delimitados por paralelogramos e tiles hexagonais menores, criando uma estrutura quasicristalina ordenada, mas não periódica. No entanto, conforme a razão média metálica aumentou, os tiles hexagonais maiores começaram a se unir, formando domínios de favo de mel, considerados como uma estrutura modulada por IC.

Os pesquisadores identificaram o padrão de ladrilhos metálicos médios em polímeros usando um terpolímero tribloco ISP (I: poliisopreno, S: poliestireno e P: poli(2-vinilpiridina)). A partir das imagens do microscópio eletrônico de transmissão do polímero, eles observaram que os arranjos do polímero poderiam ser representados por ladrilhos L, P e S com uma região regular de ladrilhos L no centro e ladrilhos P à sua esquerda. Os ladrilhos P foram interpretados como limites gêmeos marcando as transições entre diferentes orientações dos ladrilhos L.

Esse padrão de ladrilho também foi observado em partículas coloidais. Os pesquisadores simularam o comportamento de 10.000 partículas coloidais interagindo com um potencial de Lennard-Jones-Gauss, descobrindo que o arranjo ideal para as partículas é um ladrilho de média metálica, consistindo de triângulos para cima e para baixo.

“Nosso estudo destaca a eficácia de aproximantes aperiódicos na indução de modulações dentro de sistemas de matéria mole automontados empregando o grupo plano P31m. Especificamente, utilizamos as fileiras de tiles P como limites de domínio na rede de favo de mel, conectando assim QCs hexagonais de média metálica e redes de favo de mel moduladas por IC”, diz Koga.

“Essas descobertas fornecem insights sobre o reino dos cristais aperiódicos e suas implicações mais amplas para estruturas de paredes de domínio em vários campos.”