Pesquisadores induzem nanopartículas a se reconfigurarem

Uma visão de como blocos de construção em nanoescala podem se reorganizar em diferentes estruturas organizadas sob comando agora é possível com uma abordagem que combina um microscópio eletrônico, um pequeno suporte de amostra com canais microscópicos e simulações de computador, de acordo com um novo estudo de pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Indiana.

A abordagem pode eventualmente permitir materiais e revestimentos inteligentes que podem alternar entre diferentes propriedades ópticas, mecânicas e eletrônicas.

“Um dos meus exemplos favoritos desse fenômeno na natureza é o dos camaleões”, disse Tobias Dwyer, aluno de doutorado em engenharia química da UM e coautor do estudo publicado em Natureza Engenharia Química.

“Os camaleões mudam de cor alterando o espaçamento entre nanocristais em sua pele. O sonho é projetar um sistema dinâmico e multifuncional que possa ser tão bom quanto alguns dos exemplos que vemos na biologia.”

A técnica de imagem permite que os pesquisadores observem como as nanopartículas reagem às mudanças em seu ambiente em tempo real, oferecendo uma janela sem precedentes para seu comportamento de montagem.

No estudo, a equipe de Indiana primeiro suspendeu nanopartículas, uma classe de materiais menor do que a célula bacteriana média, em pequenos canais de líquido em uma célula de fluxo microfluídica. Esse tipo de dispositivo permitiu que os pesquisadores injetassem diferentes tipos de fluido na célula em tempo real enquanto observavam a mistura sob seu microscópio eletrônico.

Os pesquisadores descobriram que o instrumento deu às nanopartículas — que normalmente são atraídas umas pelas outras — repulsão eletrostática suficiente para separá-las e permitir que se reunissem em arranjos ordenados.

As nanopartículas, que são cubos feitos de ouro, ou alinhavam perfeitamente suas faces em um aglomerado organizado ou formavam um arranjo mais bagunçado. O arranjo final do material dependia das propriedades do líquido em que os blocos estavam suspensos, e a descarga de novos líquidos na célula de fluxo fazia com que os nanoblocos alternassem entre os dois arranjos.

O experimento foi uma prova de conceito de como direcionar nanopartículas para estruturas desejadas. Nanopartículas são muito pequenas para serem manipuladas manualmente, mas a abordagem pode ajudar engenheiros a aprender a reconfigurar outras nanopartículas mudando seu ambiente.

“Você pode ter conseguido mover as partículas para novos líquidos antes, mas não conseguiria observar como elas respondem ao novo ambiente em tempo real”, disse Xingchen Ye, professor associado de química da IU que desenvolveu a técnica experimental e é o principal autor correspondente do estudo.

“Podemos usar essa ferramenta para criar imagens de muitos tipos de objetos em nanoescala, como cadeias de moléculas, vírus, lipídios e partículas compostas. As empresas farmacêuticas podem usar essa técnica para aprender como os vírus interagem com as células em diferentes condições, o que pode impactar o desenvolvimento de medicamentos.”

Um microscópio eletrônico não é necessário para ativar as partículas em materiais morfáveis ​​práticos, disseram os pesquisadores. Mudanças na luz e no pH também podem servir a esse propósito.

Mas para estender a técnica a diferentes tipos de nanopartículas, os pesquisadores precisarão saber como mudar seus líquidos e configurações de microscópio para organizar as partículas. Simulações de computador executadas pela equipe da UM abrem a porta para esse trabalho futuro ao identificar as forças que fizeram as partículas interagirem e se reunirem.

“Achamos que agora temos um entendimento bom o suficiente de toda a física em jogo para prever o que aconteceria se usássemos partículas de um formato ou material diferente”, disse Tim Moore, cientista assistente de pesquisa de engenharia química da UM e co-primeiro autor do estudo. Ele projetou as simulações de computador junto com Dwyer e Sharon Glotzer, o Anthony C. Lembke Department Chair de Engenharia Química da UM e um autor correspondente do estudo.

“A combinação de experimentos e simulações é empolgante porque agora temos uma plataforma para projetar, prever, criar e observar em tempo real novos materiais morfáveis ​​junto com nossos parceiros da IU”, disse Glotzer, que também é professor ilustre da Universidade John Werner Cahn e professor universitário Stuart W. Churchill de Engenharia Química.