Como criar materiais com propriedades impensáveis usando nanopartículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/04/2024

Tetraedros truncados formando múltiplos grãos hexagonais (topo). A análise da ordem de ligação mostra diferentes grãos hexagonais através de cores diferentes (parte inferior). Tetraedros vizinhos que têm a mesma cor indicam que têm a mesma orientação de grão. A barra de escala é 20 micrômetros.
[Imagem: David Doan/John Kulikowski]

Cristais engenheirados

Quando os diferentes átomos de cada elemento químico se juntam eles formam materiais com suas próprias características - junte um amontoado de átomos de chumbo e você jamais conseguirá obter uma pepita de ouro.

As coisas ficam diferentes quando você começa a construir os materiais a partir de nanopartículas, e não de átomos e moléculas. O material que você obterá em escala macro dependerá sobretudo do formato das nanopartículas, e não da sua composição química - em outras palavras, é a geometria da partícula fundamental que define as características e propriedades físicas do material resultante.

Assim, se você conseguir construir nanopartículas com formatos diferentes, precisos e reproduzíveis, abrirá um novo horizonte de possibilidades para fabricação de materiais que poderão apresentar características únicas e novas, eventualmente nunca vistas em materiais naturais.

Esta tem sido a tônica no desenvolvimento dos metamateriais, aqueles dos mantos de invisibilidade e muito mais. Só que, até agora, as unidades básicas dos metamateriais, ou meta-átomos, têm sido grandes. Mas não precisará mais ser assim daqui por diante.

A técnica torna possível criar materiais que mudam de forma com gatilhos externos, sejam elétricos, magnéticos ou mecânicos.
[Imagem: David Doan et al. - 10.1038/s41467-024-46230-x]

Materiais metamórficos

David Doan e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, desenvolveram uma técnica que permite fabricar nanoestruturas 3D com precisão e em larga escala. Juntando a escala e as dimensões das nanopartículas, passa a ser possível criar metamateriais de altíssima resolução, eventualmente até estruturas cristalinas projetadas para apresentar as características e propriedades desejadas.

"Um cristal feito de nanoesferas se organizará de maneira diferente de um cristal feito de nanodados, e esses arranjos produzirão propriedades físicas muito diferentes," explicou a professora Wendy Gu, cuja equipe vem aprimorando há alguns anos as técnicas de impressão 3D na escala dos nanômetros. "Usamos uma técnica de nanoimpressão 3D para produzir uma das formas mais promissoras conhecidas: Os tetraedros truncados de Arquimedes. São tetraedros em escala de micrômetros com as pontas cortadas."

Os primeiros testes envolveram a fabricação das nanoestruturas e sua colocação em solução. Assim como os cristais crescem de uma "semente", bastou então acompanhar cada nanoestrutura entrando em seu próprio processo de automontagem, criando novos padrões geométricos e se arranjando em estruturas cristalinas específicas.

Ainda mais interessante, e diferentemente dos cristais naturais, estes cristais projetados podem mudar entre estados em minutos simplesmente reorganizando as partículas em novos padrões geométricos. Esta capacidade de "mudar de fase" - é assim que os engenheiros de materiais se referem à qualidade da mudança de forma - é semelhante ao rearranjo atômico que transforma o ferro em aço temperado, ou em materiais que permitem aos computadores armazenar terabytes de dados em formato digital.

"Se pudermos aprender a controlar essas mudanças de fase em materiais feitos desses tetraedros truncados de Arquimedes, isso poderá levar a muitas direções de engenharia promissoras," disse Wendy.

Esses tetraedros podem se unir em diferentes estruturas cristalinas.
[Imagem: David Doan et al. - 10.1038/s41467-024-46230-x]

Tetraedros truncados de Arquimedes

Os teóricos chamam a atenção há muito tempo que os tetraedros truncados de Arquimedes estão entre as geometrias mais desejáveis para a produção de materiais que podem facilmente mudar de fase. É fácil verificar isto em simulações de computador, mas até recentemente era difícil fabricá-los no mundo real.

Esses tetraedros sem cantos vivos formam pelo menos duas estruturas geométricas altamente desejáveis. A primeira é um padrão hexagonal na qual os tetraedros ficam planos no substrato, com suas pontas truncadas apontando para cima, como uma cordilheira em nanoescala. A segunda, ainda mais promissora, consiste em uma estrutura cristalina quase igual à do diamante, na qual os tetraedros se alternam em orientações voltadas para cima e para baixo, como ovos em uma caixa de ovos.

O arranjo de diamantes é considerado um "Santo Graal" na comunidade fotônica devido às largas possibilidades de seu uso para manipulação da luz, podendo levar a muitas direções científicas e tecnológicas novas e interessantes.

De uso mais imediato, porém, é o fato de que, quando projetados adequadamente, os futuros materiais feitos de partículas impressas em 3D podem ser reorganizados rapidamente, alternando facilmente entre as fases com a aplicação de um campo magnético, corrente elétrica, calor ou outro método de engenharia.

Entre as possibilidades de uso, a professora Wendy cita revestimentos para painéis solares que mudam ao longo do dia para maximizar a eficiência energética, películas hidrofóbicas para asas e janelas de aviões que nunca embaçam ou congelam, ou novos tipos de memória de computador. Mas ela acrescenta que a lista é enorme.

"No momento, estamos trabalhando para tornar essas partículas magnéticas, para controlar como elas se comportam," disse Wendy. "As possibilidades estão apenas começando a ser exploradas."

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