Cientistas da Universidade de Nova York desenvolveram uma maneira de usar a luz para orientar como as partículas microscópicas se organizam em cristais. Este trabalho foi publicado na revista Cell Press Químicodescreve uma técnica simples e reversível de construção de cristais que poderia apoiar a criação de novos materiais responsivos e adaptáveis.
Os cristais são encontrados em toda a natureza e na tecnologia, desde flocos de neve e diamantes até o silício em dispositivos eletrônicos. O núcleo de um cristal consiste em partículas organizadas em padrões precisos e repetidos. Para compreender melhor como surgem estas estruturas, os investigadores estudam frequentemente partículas coloidais, que são minúsculas esferas suspensas em líquidos que se agrupam naturalmente em arranjos ordenados chamados cristais coloidais. Essas partículas também servem como ingredientes-chave em materiais avançados usados em aplicações ópticas e fotônicas, como sensores e lasers.
Embora os cristais sejam comuns e extremamente úteis, controlar com precisão como e quando eles se formam continua a ser um grande obstáculo.
“O desafio neste campo é o controlo: os cristais normalmente formam-se quando e onde são necessários e, uma vez estabelecidas as condições, a capacidade de ajustar o processo em tempo real é limitada”, disse o autor do estudo Stefanano Sacanna, professor de química na Universidade de Nova Iorque.
Controlando interações de partículas usando fotoácidos
Em seus estudos de química, a equipe descobriu uma maneira muito simples de direcionar a formação de cristais: iluminando o sistema com luz.
Os pesquisadores introduziram moléculas sensíveis à luz chamadas fotoácidos em um líquido contendo partículas coloidais. Quando expostos à luz, esses fotoácidos tornam-se brevemente mais ácidos. Esta mudança afecta a sua interacção com a superfície da partícula, alterando assim a carga da partícula. Ao alterar a carga, os cientistas podem controlar se as partículas se unem e se unem ou se se afastam e se separam.
“Essencialmente, usamos a luz como um controle remoto para programar como a matéria se organiza em escala microscópica”, disse Sakana.
Crescimento e derretimento de cristais em tempo real
Através de uma combinação de experimentos e simulações de computador, os pesquisadores demonstraram que ajustar o brilho, a duração e o padrão da luz lhes permitiu direcionar o comportamento do cristal com uma precisão surpreendente. Eles podem iniciar o crescimento do cristal ou causar a dissolução do cristal a qualquer momento. Eles podem identificar onde ocorre a cristalização, remodelar e “esculpir” a estrutura e melhorar sua uniformidade e tamanho para criar conjuntos coloidais maiores e mais complexos.
“Usar nosso fotoácido nos dá um controle surpreendente sobre a atração entre as partículas. Basta aumentar ou diminuir um pouco a luz e as partículas ficam completamente aderidas ou completamente livres”, disse o autor do estudo, Steven van Kesteren, da ETH Zurich, que conduziu o trabalho como pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Sarkana da NYU.
“Como a luz é tão fácil de controlar, podemos fazer com que nosso sistema faça coisas bastante complexas. Podemos iluminar aglomerados de partículas e observá-los derreter sob um microscópio, ou brilhar luz para que aglomerados aleatórios de partículas se organizem em cristais. Também podemos remover facilmente cristais específicos simplesmente removendo as partículas naquele ponto”, acrescenta van Kesteren.
Configuração de pote único montada reversivelmente
Uma vantagem significativa desta abordagem é que ela pode servir como um experimento de “único recipiente”. A equipe não precisou redesenhar as partículas ou ajustar repetidamente a concentração de sal em experimentos separados. Simplesmente alterando os níveis de iluminação, eles podem fazer com que as partículas se agreguem em cristais ou se quebrem novamente.
Rumo a materiais opticamente programáveis
Este desenvolvimento mostra que a estrutura interna dos materiais e suas propriedades podem ser ajustadas através da luz. Por exemplo, materiais fotônicos podem ter sua cor ou resposta óptica gravada, apagada e reescrita conforme necessário. Cristais coloidais fotoprogramáveis podem eventualmente permitir revestimentos ópticos reconfiguráveis, sensores adaptativos e displays de próxima geração e tecnologias de armazenamento de dados, onde padrões e funções são definidos dinamicamente através da iluminação, em vez de serem fixados durante o processo de fabricação.
“Nossa abordagem nos aproxima de materiais coloidais dinâmicos e programáveis que podem ser reconfigurados conforme necessário”, disse o autor do estudo, Glen Hocky, professor associado de química e membro do corpo docente do Simmons Center for Computational Physical Chemistry da NYU. “Este sistema também nos permite testar algumas previsões sobre como a automontagem deve se comportar quando as interações entre partículas ou moléculas variam no espaço ou no tempo”.
Outros autores do estudo incluem Nicole Smina, Shihao Zang e Cheuk Wai Leung, da Universidade de Nova York. Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (prêmio W911NF-21-1-0011), pela Swiss National Science Foundation (concessão 217966) e pelo Centro Simons de Química Física Computacional da Universidade de Nova York (concessão 839534).
