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“Gravatas borboletas” do tamanho de um mícron, auto-montadas a partir de nanopartículas, formam uma variedade de diferentes formas de ondulação que podem ser controladas com precisão, mostrou uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Michigan.
O desenvolvimento abre caminho para a produção fácil de materiais que interagem com a luz distorcida, fornecendo novas ferramentas para visão de máquina e produção de medicamentos.
Embora a biologia esteja cheia de estruturas retorcidas como o DNA, conhecidas como estruturas quirais, o grau de torção está bloqueado – tentar mudá-lo quebra a estrutura. Agora, os pesquisadores podem projetar o grau de torção.
Esses materiais podem permitir que os robôs naveguem com precisão em ambientes humanos complexos. Estruturas distorcidas codificariam informações nas formas das ondas de luz que refletem da superfície, em vez do arranjo 2D de símbolos que compreende a maioria dos sinais lidos por humanos. Isso tiraria vantagem de um aspecto da luz que os humanos mal conseguem sentir, conhecido como polarização. As nanoestruturas retorcidas refletem preferencialmente certos tipos de luz circularmente polarizada, uma forma que se torce enquanto se move pelo espaço.
“É basicamente como a visão de polarização em crustáceos”, disse Nicholas Kotov, professor de ciências químicas e engenharia da Universidade Irving Langmuir, que liderou o estudo. “Eles coletam muitas informações, apesar dos ambientes obscuros.”
Os robôs podem ler sinais que parecem pontos brancos aos olhos humanos; a informação seria codificada na combinação de frequências refletidas, o aperto da torção e se a torção era canhota ou destra.
Ao evitar o uso de luz natural e ambiente, confiando, em vez disso, na luz polarizada circularmente gerada pelo robô, é menos provável que os robôs percam ou interpretem mal uma sugestão, seja em ambientes claros ou escuros. Os materiais que podem refletir seletivamente a luz distorcida, conhecidos como metamateriais quirais, geralmente são difíceis de fazer – mas os laços não são.
“Anteriormente, metasuperfícies quirais eram feitas com grande dificuldade usando equipamentos multimilionários. Agora, essas superfícies complexas com múltiplos usos atraentes podem ser impressas como uma fotografia”, disse Kotov.
As nanoestruturas torcidas também podem ajudar a criar as condições certas para produzir medicamentos quirais, que são difíceis de fabricar com a torção molecular correta.
“O que não foi visto em nenhum sistema quiral antes é que podemos controlar a torção de uma estrutura canhota totalmente torcida para uma panqueca plana para uma estrutura destra totalmente torcida. Chamamos isso de quiralidade contínua”, disse Prashant Kumar, pesquisador de pós-doutorado da UM em engenharia química e primeiro autor do estudo em Natureza.
Kumar testou os laços como uma espécie de tinta, misturando-os com ácido poliacrílico e aplicando-os em vidro, tecido, plástico e outros materiais. Experimentos com lasers mostraram que essa tinta refletia a luz distorcida apenas quando a torção na luz correspondia à torção na forma da gravata borboleta.
As gravatas-borboleta são feitas misturando cádmio metálico e cistina, um fragmento de proteína que vem nas versões para destros e canhotos, em água misturada com soda cáustica. Se a cistina fosse toda canhota, formavam-se laços canhotos, e a cistina destra produzia laços destros – cada um com um toque de papel de bala.
Mas com diferentes proporções de cistina para destros e canhotos, a equipe fez torções intermediárias, incluindo a panqueca plana em uma proporção de 50-50. O passo dos laços mais apertados, basicamente o comprimento de uma volta de 360 graus, é de cerca de 4 mícrons de comprimento – dentro da faixa de comprimentos de onda da luz infravermelha.
“Não apenas conhecemos a progressão desde a escala atômica até a microescala das gravatas-borboleta, mas também temos teoria e experimentos que nos mostram as forças orientadoras. Com esse entendimento fundamental, você pode projetar um monte de outras partículas”, disse Thi Vo, ex-pesquisador de pós-doutorado da UM em engenharia química.
Ele trabalhou com Sharon Glotzer, co-autor correspondente do estudo e o Anthony C. Lembke Chefe do Departamento de Engenharia Química da UM.
Em contraste com outras nanoestruturas quirais, que podem levar dias para se automontar, os laços se formaram em apenas 90 segundos. A equipe produziu 5.000 formas diferentes dentro do espectro da gravata borboleta. Eles estudaram as formas em detalhes atômicos usando raios-X no Argonne National Laboratory antes da análise de simulação.
Análise de material adicional e contribuições para a teoria foram fornecidas por colaboradores da UM, da Universidade da Pensilvânia, da Universidade de Palermo na Itália e da Pro Vitam Ltd, na Romênia. O estudo foi financiado pelo Office of Naval Research, National Science Foundation e Army Research Office.
Kotov também é professor de engenharia Joseph B. e Florence V. Cejka e professor de engenharia química e ciência e engenharia macromolecular. Vo agora é professor de engenharia química e biomolecular na Universidade Johns Hopkins. Glotzer também é o Distinto Professor de Engenharia da John Werner Cahn, o Stuart W. Churchill Collegiate Professor de Engenharia Química e professor de ciência e engenharia de materiais, ciência e engenharia macromolecular e física.
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