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Pesquisadores da Northwestern University fizeram um avanço significativo na maneira como produzem super-redes exóticas de estrutura aberta feitas de nanopartículas de metal oco.
Usando minúsculas partículas ocas chamadas nanoquadros metálicos e modificando-as com sequências apropriadas de DNA, a equipe descobriu que poderia sintetizar super-redes de canal aberto com poros que variam de 10 a 1.000 nanômetros de tamanho – tamanhos que eram difíceis de acessar até agora. Esse novo controle sobre a porosidade permitirá que os pesquisadores usem esses cristais coloidais na absorção e armazenamento molecular, separações, detecção química, catálise e muitas aplicações ópticas.
O novo estudo identifica 12 super-redes de nanopartículas porosas exclusivas com controle sobre simetria, geometria e conectividade de poros para destacar a generalização de novas regras de design como um caminho para a fabricação de novos materiais.
O artigo foi publicado hoje (26) na revista Natureza.
Chad A. Mirkin, professor de química George B. Rathmann no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e diretor do International Institute for Nanotechnology, disse que as novas descobertas terão amplos impactos na nanotecnologia e além.
“Tivemos que repensar o que sabíamos sobre a ligação do DNA com partículas coloidais”, disse Mirkin, que liderou a pesquisa. “Com esses novos tipos de nanocristais ocos, as regras existentes para engenharia de cristais não eram adequadas. A montagem de nanopartículas conduzida por ‘edge-bonding’ nos permite acessar uma variedade de estruturas cristalinas que não podemos acessar por ‘face-bonding’ convencional, o forma tradicional de pensar a formação de estruturas neste campo. Essas novas estruturas levam a novas oportunidades tanto do ponto de vista científico quanto tecnológico.”
Líder em nanoquímica, Mirkin também é professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering e professor de medicina na Northwestern University Feinberg School of Medicine.
A equipe de Mirkin vem usando a programabilidade do DNA para sintetizar cristais com propriedades incomuns e úteis há mais de duas décadas; ampliar o conceito para incluir partículas ocas é um grande passo em direção a uma abordagem mais universal para entender e controlar a formação de cristais coloidais.
A natureza usa cristais coloidais para controlar as cores dos organismos, incluindo as asas de borboleta e a cor mutável da pele de um camaleão. As estruturas geradas em laboratório de Mirkin – especialmente as porosas, através das quais moléculas, materiais e até luz podem viajar – desafiarão cientistas e engenheiros a criar novos dispositivos a partir delas.
Vinayak Dravid, professor de ciência e engenharia de materiais da Abraham Harris em McCormick e autor do artigo, acrescentou que muitos processos químicos industriais dependem de zeólitos, outra classe de materiais porosos sintéticos.
“Existem muitas limitações aos zeólitos porque eles são feitos por regras físicas que limitam as opções”, disse Dravid. “Mas quando o DNA é usado como uma ligação, permite uma maior diversidade de estruturas e uma variedade muito maior de tamanhos de poros e, portanto, uma gama diversificada de propriedades”.
A capacidade de controlar o tamanho dos poros e as conexões entre os poros abre uma gama de usos potenciais. Por exemplo, os autores mostram que as super-redes porosas exibem um comportamento óptico interessante chamado índice de refração negativo não encontrado na natureza e acessível apenas com materiais de engenharia.
“Neste trabalho, descobrimos como as superredes de canal aberto podem ser novos tipos de metamateriais ópticos que permitem um índice de refração negativo”, disse Koray Aydin, também autor do artigo e professor associado de engenharia elétrica e de computação em McCormick. . “Tais metamateriais permitem aplicações interessantes, como camuflagem e superlente, a imagem de objetos super pequenos com microscopia”.
Os pesquisadores continuam a colaborar para impulsionar o trabalho.
“Precisamos aplicar essas novas regras de design a estruturas metálicas nanoporosas feitas de outros metais, como o alumínio, e precisamos dimensionar o processo”, disse Mirkin. “Essas considerações práticas são muito importantes no contexto de dispositivos ópticos de alto desempenho. Tal avanço pode ser verdadeiramente transformador.”
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