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Pesquisadores desenvolveram uma nova estratégia para ajudar a construir materiais com propriedades ópticas, magnéticas, eletrônicas e catalíticas únicas. Essas estruturas em forma de cata-vento se montam a partir de nanopartículas e exibem uma característica chamada quiralidade – uma das estratégias da natureza para construir complexidade em estruturas em todas as escalas, de moléculas a galáxias.
A natureza é rica em exemplos de quiralidade – DNA, moléculas orgânicas e até mãos humanas. Em geral, a quiralidade pode ser vista em objetos que podem ter mais de um arranjo espacial. Por exemplo, a quiralidade nas moléculas pode se apresentar como duas cadeias de átomos que têm a mesma composição, mas cada uma com uma “torção” para a esquerda ou para a direita em suas orientações espaciais, disseram os pesquisadores.
O novo estudo, liderado por Qian Chen, professor de ciência e engenharia de materiais da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, e Nicholas A. Kotov, professor de engenharia química da Universidade de Michigan, estende a quiralidade em redes montadas a partir de blocos de construção de nanopartículas. para criar novos metamateriais – materiais projetados para interagir com seus arredores para desempenhar funções específicas.
O estudo foi publicado na revista Natureza.
Os esforços para fazer redes quirais em grande escala a partir da montagem espontânea de nanopartículas tiveram sucesso limitado. Chen disse que estudos anteriores dependiam de modelos que produziam estruturas muito pequenas, limitando sua utilidade no projeto de metamateriais.
“No novo estudo, fomos inspirados pelas características de quebra de simetria de materiais porosos para montar redes reconfiguráveis de nanopartículas em forma de pirâmide menores que 100 nanômetros”, disse o ex-pesquisador de pós-doutorado de Illinois Shan Zhou, principal autor do trabalho e atualmente um professor da South Dakota School of Mines and Technology. “A estrutura resultante é grande o suficiente para ser vista a olho nu.”
Chen disse que os modelos anteriores não previram uma rede cata-vento com quiralidade.
Neste estudo, previsões baseadas na teoria dos grafos e cálculos desenvolvidos pelos pesquisadores de pós-doutorado de Kotov e Michigan, Ju Lu e Ji-Young Kim, previram – para sua surpresa – que a estrutura da rede cata-vento, embora aquiral por natureza, torna-se quiral em um substrato.
“A nova estrutura de treliça é fascinante do ponto de vista da pesquisa, pois convida a muitas novas oportunidades de estudo multifacetado de suas propriedades”, disse Kotov.
A técnica de microscopia eletrônica de fase líquida de Chen – que ela diz ser semelhante a um “pequeno aquário para observar a automontagem de nanopartículas” – foi fundamental para este estudo.
Fazer essa estrutura não veio por sorte, disseram os pesquisadores.
“Os modelos quantitativos se mostraram bem compatíveis com o processo dinâmico de montagem observado no nanoaquário do microscópio eletrônico de fase líquida”, disse Jiahui Li, estudante de pós-graduação em Illinois e coautor do estudo.
“A microscopia eletrônica de fase líquida nos permitiu levar a montagem da superrede ainda mais longe”, disse Chen.
“Como podemos observar e manipular as interações das nanopartículas em tempo real, podemos ajustar com precisão seus movimentos para formar o design intrincado do cata-vento”, disse Li.
Além das técnicas de microscopia eletrônica em fase líquida, o microscópio eletrônico ultrarrápido do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos forneceu uma compreensão única das propriedades ópticas das superredes automontadas em escala nanométrica.
“Ninguém foi capaz de ver diretamente as respostas quirais de objetos de tamanho tão pequeno usando outras técnicas”, disse Haihua Liu, pesquisador do Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne.
A equipe prevê que esta plataforma de imagem seja usada para caracterizar uma ampla gama de nanopartículas e estruturas automontadas.
“Como um teórico que trabalha com nanopartículas, sempre me interessei em como montar arranjos de nanopartículas quirais”, disse Alex Travesset, professor da Iowa State University que realizou os cálculos geométricos para a rede cata-vento. “Os comportamentos interessantes da rede cata-vento podem ir além de suas respostas quirópticas.”
Kai Sun, professor de Michigan e co-autor do estudo, disse que as redes cata-vento podem reconfigurar suas estruturas, uma propriedade que é potencialmente útil no projeto de capacetes de combate e aviões, por exemplo.
Os pesquisadores também vislumbram o uso dessa nova estratégia para fazer outros metarevestimentos quirais com base na biblioteca existente de nanopartículas disponíveis sinteticamente, e isso permitirá um rico espaço de design de superfícies metaestruturadas com atividade quiróptica e propriedades mecânicas.
“Nós sentimos que este método de montagem quiral suportado por substrato pode beneficiar toda a comunidade de pesquisa de nanomateriais”, disse Kotov.
Chen também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais, química, engenharia química e biomolecular, ao Carl R. Woese Institute for Genomic Biology e ao Beckman Institute for Advanced Science and Technology na U. de I.
O Escritório de Pesquisa Naval apóia esta pesquisa por meio de uma Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar.
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