Cientistas da NYU desenvolveram uma maneira de usar a luz para indicar como as partículas microscópicas se organizam em cristais. O trabalho, publicado na revista Cell Press Químicadescreve uma técnica simples e reversível para a construção de cristais que poderia ajudar a criar uma nova classe de materiais responsivos e adaptativos.
Os cristais aparecem em toda parte na natureza e na tecnologia, desde flocos de neve e diamantes até o silício dentro de dispositivos eletrônicos. Em sua essência, os cristais consistem em partículas organizadas em padrões precisos e repetidos. Para entender melhor como essas estruturas surgem, os pesquisadores frequentemente estudam partículas coloidais, que são minúsculas esferas suspensas em líquidos que se reúnem naturalmente em estruturas ordenadas conhecidas como cristais coloidais. Essas partículas também servem como componentes-chave de materiais avançados usados em aplicações ópticas e fotônicas, como sensores e lasers.
Embora os cristais sejam comuns e extremamente úteis, controlar exatamente como e quando eles se formam continua sendo um grande obstáculo.
“O desafio no campo é o controle: os cristais geralmente se formam onde e quando querem, e uma vez estabelecidas as condições, você tem capacidade limitada de ajustar o processo em tempo real”, disse o autor do estudo Stefano Sacana, professor de química na NYU.
Fotoácidos são usados para controlar interações de partículas
Em seu estudo químico, a equipe identificou um método surpreendentemente simples para direcionar a formação de cristais: iluminar o sistema com luz.
Os pesquisadores introduziram moléculas fotossensíveis contendo partículas coloidais em um líquido chamado fotoácido. Quando expostos à luz, esses fotoácidos tornam-se brevemente mais ácidos. Esta mudança afeta a forma como eles interagem com a superfície da partícula, alterando a carga elétrica da partícula. Ao alterar a carga, os cientistas podem controlar se as partículas se unirão e grudam ou se empurrarão e se separarão.
“Basicamente, usamos a luz como controle remoto para programar como a matéria se organiza em microescala”, disse Sakana.
Crescimento e derretimento de cristais em tempo real
Através de uma combinação de experimentos e simulações de computador, os pesquisadores mostraram que ajustar o brilho, a duração e o padrão da luz lhes permitiu ditar o comportamento do cristal com notável precisão. Eles podem iniciar o crescimento de cristais ou dissolver cristais sempre que quiserem. Eles podem determinar onde ocorre a cristalização, remodelar e “esculpir” as estruturas e aumentar sua uniformidade e tamanho para criar conjuntos coloidais maiores e mais complexos.
“Usar nosso fotoácido nos deu um nível incrível de controle sobre a atração entre as partículas. Aumentar ou diminuir um pouco a luz fez a diferença entre a partícula ficar completamente presa ou completamente livre”, disse o autor do estudo, Steven van Kesteren, da ETH Zurich, que conduziu o trabalho na NYU como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Sakanna.
“Como a luz é tão fácil de controlar, podemos fazer com que nosso sistema faça coisas bastante complicadas. Podemos iluminar bolhas de partículas e observá-las derreter sob um microscópio, ou acender uma luz para que bolhas aleatórias de partículas se cristalizem. Podemos facilmente remover cristais específicos simplesmente imobilizando as partículas naquele local, “acrescentou van Kester.
Configuração de um pote com montagem reversa
Uma vantagem significativa deste método é que ele atua como um teste “one pot”. A equipe não precisou redesenhar as partículas em testes separados ou ajustar repetidamente a concentração de sal. Simplesmente alterando o nível de iluminação, eles podem fazer com que as partículas se agrupem em cristais ou se quebrem novamente.
Rumo a materiais programáveis leves
Esse avanço aponta para objetos cuja estrutura interna, e portanto suas propriedades, podem ser ajustadas por meio da luz. Por exemplo, a cor ou a resposta óptica de materiais fotônicos podem ser escritas, apagadas e reescritas sob demanda. Cristais coloidais programáveis por luz podem, em última análise, permitir revestimentos ópticos reconfiguráveis, sensores adaptativos e tecnologias de exibição e armazenamento de dados de próxima geração, onde padrões e funções são definidos dinamicamente pela iluminação, em vez de fixados durante a fabricação.
“Nossa abordagem nos aproxima de materiais coloidais dinâmicos e programáveis que podem ser reconfigurados sob demanda”, disse o autor do estudo Glenn Hockey, professor associado de química e membro do corpo docente do Simmons Center for Computational Physical Chemistry da NYU. “Este sistema nos permite testar várias previsões sobre como a automontagem deveria se comportar se as interações entre partículas ou moléculas mudassem no espaço ou no tempo.”
Autores adicionais do estudo incluem Nicole Smina, Shihao Zhang e Cheuk Wai Leung da NYU. A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (Prêmio W911NF-21-1-0011), pela Swiss National Science Foundation (Grant 217966) e pelo NYU Simmons Center for Computational Physical Chemistry (Grant 839534).
