Compreendendo as forças que regulam a cristalização pela fixação de partículas

Uma interação complexa de energética e dinâmica governa o comportamento de nanocristais em solução. Essas dinâmicas são geralmente interpretadas em termos da teoria desenvolvida por Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek (DVLO), e entender essas forças é particularmente importante para controlar a fixação orientada (OA), onde nanocristais individuais se fundem em alinhamentos específicos.

Em um novo estudo publicado em ACS Nanopesquisadores exploraram os efeitos de forças não contabilizadas na teoria DLVO em um sistema modelo de óxido de zinco (ZnO) passando por OA. Eles descobriram que as forças motrizes por trás da ligação são forças dipolo-dipolo que não são consideradas na teoria DLVO.

As forças dipolo levam a uma ligação mais rápida em soluções menos polares, validadas por cálculos que consideram forças não-DLVO. Os pesquisadores também mostraram que as forças repulsivas de curto alcance que retardam a ligação dependem da natureza do solvente, particularmente de seu empacotamento molecular e interações intermoleculares.

Pesquisadores exploraram as forças não-DLVO que regulam a dinâmica e os resultados da agregação, coalinhamento e fixação de partículas em um sistema de modelo de ZnO. Eles investigaram o efeito das interações dipolo-dipolo nas forças e torques de longo alcance que impulsionam a aproximação e o alinhamento de partículas combinando observações de microscopia eletrônica de transmissão in situ de eventos OA com simulações de dinâmica de Langevin usando uma variedade de solventes.

A comparação da magnitude dessas forças com as forças eletrostáticas e de van der Waals calculadas usando a teoria DLVO mostrou que as forças não DLVO dominam e fornecem uma justificativa para as discrepâncias observadas nos diferentes solventes.

Eles também investigaram as forças repulsivas de curto alcance que surgem da estrutura do solvente perto da superfície do ZnO usando microscopia de força atômica 3D. A força de solvatação é mais forte na água em comparação ao etanol e ao metanol devido à ligação de hidrogênio mais forte e ao empacotamento mais denso de moléculas de água na interface.

Esses resultados destacam a importância de resolver e quantificar forças não-DLVO no estabelecimento de uma estrutura geral para entender e prever a síntese de materiais por meio da agregação e fixação de partículas.

Os pesquisadores criaram uma gama impressionante de nanomateriais com propriedades únicas, como cristais coloidais, mesocristais, nanofios altamente ramificados e materiais adaptativos que respondem reversivelmente a estímulos externos.

Continuar a avançar no campo e desenvolver uma compreensão preditiva da agregação de partículas e comportamento de fixação requer ir além das teorias coloidais tradicionais, como DLVO. Identificar as diferentes forças em jogo no OA permitirá que os pesquisadores criem condições que produzem as estruturas nanomateriais finais específicas necessárias para as aplicações.