Cristais e gemas são fabricados com energia eletrostática

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/05/2020

À esquerda, pequenos cristais fotografados por um microscópio eletrônico de varredura, mostrando os blocos de construção individuais, que consistem em esferas de poliestireno. À direita, os cristais foram fotografados com uma câmera normal de celular, revelando cores brilhantes semelhantes às opalas.
[Imagem: Theodore Hueckel]

Automontagem

Seguindo experimentos feitos no espaço para criar materiais que se constroem sozinhos, Theodore Hueckel e seus colegas da Universidade de Nova York desenvolveram uma técnica para induzir micropartículas a se organizarem em estruturas cristalinas, um processo conhecido como automontagem.

Usando apenas carga eletrostática, as micropartículas se organizam espontaneamente para formar materiais cristalinos altamente ordenados, que podem ser desde cristais de sal de cozinha até as semipreciosas opalas.

Mas o maior interesse é mesclar materiais, dando novas funcionalidades a materiais já existentes, seguindo um princípio similar à dopagem usada na eletrônica.

"Nossa pesquisa lança uma nova luz sobre os processos de automontagem que podem ser usados para fabricar novos materiais funcionais," disse o professor Stefano Sacanna, coordenador da equipe.

Montagem eletrostática

A automontagem é um processo no qual partículas minúsculas se reconhecem e se ligam de maneira predeterminada. Essas partículas se juntam e geram espontaneamente um objeto maior e mais complexo, normalmente após um evento desencadeante ou uma alteração nas condições ambientais.

O paradigma científico atual propõe que tudo o que existe surgiu por automontagem, a partir dos elementos criados no Big Bang e, posteriormente, nas estrelas. Isso inclui a vida, sendo que o processo de automontagem biológica que teria originado a vida é mais conhecido como abiogênese, ou geração espontânea.

Não por acaso, uma das abordagens usadas para programar partículas e criar novos materiais funcionais consiste em revesti-las com filamentos de DNA: O código genético instrui as partículas sobre como e onde se ligar umas com as outras. No entanto, como essa abordagem requer uma quantidade considerável de DNA, ela sai cara e é limitada à produção de amostras muito pequenas.

Hueckel adotou uma abordagem diferente para a automontagem, usando um método muito mais simples: Em vez de usar DNA, ele usou carga eletrostática.

O processo é semelhante ao que acontece quando você mistura sal em uma vasilha de água. Quando o sal é adicionado à água, os minúsculos cristais se dissolvem em íons de cloro, com carga negativa, e íons de sódio, com carga positiva. Quando a água evapora, as partículas carregadas positiva e negativamente se recombinam em cristais de sal.

"Em vez de usar íons atômicos, como aqueles no sal, usamos partículas coloidais, que são milhares de vezes maiores. Quando misturamos as partículas coloidais sob as condições certas, elas se comportam como íons atômicos e se montam em cristais," explicou Sacanna.

A equipe já está experimentando com diversas estruturas, em busca de materiais com funcionalidades extras.
[Imagem: Theodore Hueckel et al. - 10.1038/s41586-020-2205-0]

Materiais funcionais

A maior vantagem é que o processo permite fazer grandes quantidades de materiais.

Um dos experimentos que mais chamaram a atenção foi a sintetização de materiais coloidais que imitam pedras preciosas - em particular as opalas. As opalas são iridescentes e coloridas, resultado de sua microestrutura cristalina interna e de sua interação com a luz. No laboratório, os pesquisadores criaram pedras sintéticas com microestruturas internas muito semelhantes às opalas.

"Nós nos inspiramos nos cristais iônicos da natureza, mas acreditamos que iremos além de sua complexidade estrutural utilizando todos os elementos de design únicos disponibilizados pelos blocos de construção coloidais," disse Hueckel.

O uso de carga eletrostática para automontagem permite imitar os materiais encontrados na natureza, mas também tem vantagens além do que ocorre naturalmente. Por exemplo, passa a ser possível ajustar o tamanho e a forma das partículas carregadas positiva e negativamente, o que permite criar uma ampla gama de diferentes estruturas cristalinas, incluindo metamateriais, que são materiais artificiais com propriedades não encontradas em nenhum material natural.

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