Cientistas da Universidade de Nova York desenvolveram uma maneira de usar a luz para controlar como as partículas microscópicas se organizam nos cristais. O trabalho é relatado na revista Cell Press químicodescreve uma técnica simples e reversível para a construção de cristais que poderia apoiar a criação de uma nova classe de materiais responsivos e adaptáveis.
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 são compostos de partículas organizadas em padrões repetidos e precisos. Para compreender melhor como estas estruturas se formam, os investigadores estudam frequentemente partículas coloidais, que são minúsculas esferas suspensas em líquidos que se agrupam naturalmente em arranjos ordenados conhecidos como cristais coloidais. Essas partículas também servem como componentes-chave em materiais avançados usados em aplicações ópticas e fotônicas, como sensores e lasers.
Embora os cristais sejam comuns e muito úteis, controlar como e quando eles se formam continua a ser um grande obstáculo.
“O desafio neste campo é o controle: os cristais geralmente se formam onde e quando querem e, uma vez estabelecidas as condições, a capacidade de regular o processo em tempo real é limitada”, disse o autor do estudo, Stefano Saccano, professor de química na Universidade de Nova York.
Usando fotoácidos para controlar interações de partículas
Na sua investigação química, a equipa identificou um método surpreendentemente simples para controlar a formação de cristais: iluminar o sistema com luz.
Os pesquisadores injetaram moléculas sensíveis à luz, conhecidas como fotoácidos, em um líquido contendo partículas coloidais. Esses fotoácidos tornam-se brevemente mais ácidos quando expostos à luz. Esta mudança afeta a forma como elas interagem com as superfícies das partículas, alterando a carga elétrica das partículas. Ao alterar a carga, os cientistas podem controlar se as partículas se juntam e se unem ou se se afastam e se separam.
“Essencialmente, usamos a luz como controle remoto para programar como a matéria se auto-organiza em microescala”, disse Sakano.
Crescimento e derretimento de cristais em tempo real
Através de uma combinação de experimentos e simulações computacionais, os pesquisadores demonstraram que ajustar o brilho, a duração e o padrão da luz permite controlar o comportamento do cristal com extrema precisão. Eles podem iniciar o crescimento do cristal ou fazer com que os cristais se dissolvam, se assim desejarem. Eles podem determinar onde ocorre a cristalização, alterar a forma e “esculpir” as estruturas e melhorar 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. O simples aumento ou diminuição da luz fez a diferença entre se a partícula estava completamente presa ou completamente livre”, disse o autor do estudo, Steven van Kesteren, da ETH Zürich, que conduziu o trabalho na NYU como pós-doutorado no laboratório de Sakana.
“Como a luz é tão fácil de controlar, poderíamos fazer com que nosso sistema fizesse algumas coisas bastante complicadas. Poderíamos iluminar as bolhas de partículas e vê-las derreter sob o microscópio, ou poderíamos brilhar a luz para que as bolhas aleatórias de partículas se organizassem em cristais. Também poderíamos remover certos cristais com bastante facilidade, simplesmente removendo as partículas naquele local”, acrescentou van Kesteren.
Um pote com montagem reversível
Uma vantagem notável desta abordagem é que ela funciona como um experimento único. A equipe não teve que reorganizar as partículas ou ajustar repetidamente a concentração de sal em testes individuais. Simplesmente alterando o nível de luz, eles poderiam fazer com que as partículas se agrupassem em cristais ou se quebrassem novamente.
Para materiais programáveis leves
Este progresso indica materiais cuja estrutura interna e, portanto, propriedades podem ser ajustadas com a luz. Por exemplo, materiais fotônicos podem gravar, apagar e reescrever cores ou respostas ópticas sob demanda. Cristais coloidais programáveis por luz podem eventualmente permitir revestimentos ópticos reconfiguráveis, sensores adaptativos e tecnologias de exibição e armazenamento de próxima geração, onde padrões e recursos 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 Glen Hawkey, professor associado de química e membro do corpo docente do Simons Center for Computational Physical Chemistry da NYU. “Este sistema também nos permite testar uma série de previsões sobre como a automontagem deve se comportar quando as interações entre partículas ou moléculas mudam no espaço ou no tempo”.
Autores adicionais do estudo incluem Nicole Smina, Shihao Zang e Cheuk Wai Leung, da Universidade de Nova York. A pesquisa foi apoiada pelo US Army Research Office (prêmio W911NF-21-1-0011), pela Swiss National Science Foundation (concessão 217966) e pelo NYU Simons Center for Computational Physical Chemistry (concessão 839534).
