Nanometalurgia cria peças metálicas usando moldes de polímero

National Science Foundation - 07/07/2008

Nanopartículas de platina recobertas com ligantes (esferas azuis e cinzas) aninhadas entre copolímeros de bloco (cadeias azuis e verdes).
[Imagem: Scott Warren & Uli Wiesner, Cornell University]

Por mais de 5.000 anos a única forma de moldar os metais tem sido a técnica do "esquentar e bater." Mesmo na moderna nanotecnologia o trabalho com os metais inclui esculpí-los com feixes de elétrons ou entalhá-los com ácido.

Automontagem de metais

Agora, pesquisadores da Universidade de Cornell, Estados Unidos, desenvolveram um método para "automontar" metais em configurações complexas, com detalhes estruturais cerca de 100 vezes menores do que uma bactéria, guiando as partículas de metais para a forma desejada utilizando polímeros.

"Eu penso que este é um trabalho engenhoso que pega os conceitos fundamentais da ciência dos polímeros e os aplica para fazer metais de uma forma totalmente nova," disse Andrew Lovinger, diretor do Programa de Polímeros da Fundação Nacional de Ciências. "Ao fazer isto, ele abre as portas para todos os tipos de novas possibilidades."

Aplicações da nova técnica

As aplicações do novo método incluem fabricar catalisadores mais eficientes e mais baratos para células a combustível e para processos industriais, e criar estruturas com superfícies plasmônicas capazes de transportar mais informações no interior dos microchips do que os atuais fios conseguem carregar.

"A comunidade que trabalha com polímeros vem tentando fazer isto há quase 20 anos, diz Uli Wiesner, que relatou o novo método no último número da revista Science. "Mas os metais têm uma tendência para se aglomerar em estruturas sem que se possa controlá-los."

Nanopartículas de metais

A equipe de Wiesner agora desenvolveu um método que supera essa tendência aglomerante dos metais. Primeiro, nanopartículas metálicas medindo cerca de 2 nanômetros - entre 10 e 20 átomos de diâmetro - são recobertas com um material orgânico conhecido como ligante.

Os ligantes formam finos envoltórios ao redor dos átomos metálicos, alterando sua química superficial. Manter a espessura do envoltório ligante é um fator chave que permite que o volume de metal na estrutura final seja grande o suficiente para manter seu formato quando os materiais orgânicos forem eventualmente removidos.

Andaimes nanotecnológicos

Os átomos de metal no envoltório são então colocados em uma solução contendo copolímeros de bloco, uma espécie de material de suporte em nanoescala. O uso inovador dos ligantes permite que as nanopartículas de metal sejam dissolvidas nesta solução - mesmo em altas concentrações. Um copolímero de bloco é feito de duas longas cadeias diferentes, ou blocos, de moléculas conectadas entre si para formar um padrão previsível. No experimento, as nanopartículas de platina recobertas pelo ligante são acondicionadas entre os copolímeros de bloco.

Depois que as nanopartículas recobertas pelo ligante e os polímeros assumem padrões regulares, o material é aquecido a altas temperaturas na ausência de ar para converter os polímeros em uma armação de carbono, que é a seguir resfriada. Como as nanopartículas de metal têm um ponto de fusão muito baixo, sem o suporte de carbono iriam teimar em se fundir juntas de forma descontrolada. Utilizando esse processo, o suporte de carbono pode ser lixiviado com ácido, deixando para trás a estrutura de metal sólido.

Catalisador poroso

O grupo de pesquisadores utilizou o novo método para criar uma estrutura de platina com poros hexagonais uniformes, cada um da ordem de 10 nanômetros de diâmetro - um diâmetro muito maior do que as tentativas anteriores foram capazes de produzir. A platina é, de longe, o melhor catalisador disponível para células a combustível, e uma estrutura de poros espaçosa permite que o combustível flua e reaja sobre uma área superficial muito maior.

"Isto abre um espaço totalmente novo porque ninguém havia sido capaz de estruturar metais em grande quantidade utilizando polímeros," explica Wiesner. "Em princípio, se você pode fazer isto com um metal você poderá fazer o mesmo com outros ou mesmo com uma mistura de metais."

Plasmônica

Além de fazer materiais porosos para catalisadores, afirmam os pesquisadores, a técnica poderá ser utilizada para criar delicadas estruturas metálicas sobre superfícies, algo essencial para transformar o campo da plasmônica, que estuda as interações entre superfícies metálicas, a luz e ondas de elétrons conhecidas como plasmons.

Atualmente os cientistas estão investigando o uso dos plasmons para transmitir mais informações ao longo de fios metálicos no interior dos microchips e para melhorar aplicações ópticas, como lasers, telas e lentes.

Para conhecer outra pesquisa que descobriu recentemente como utilizar a nanotecnologia para criar estruturas em macroescala, veja Ferramentas nanotecnológicas já funcionam em escala humana.

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