Pesquisadores do MIT usam ligações moleculares flexíveis para criar novas estruturas cristalinas de nanopartículas

Uma inversão de 20 anos de pensamento em ciência dos materiais

Pesquisadores do MIT e seus colaboradores descobriram que conexões moleculares flexíveis podem criar estruturas cristalinas de nanopartículas que nunca foram observadas antes. A descoberta desafia uma suposição de longa data na ciência dos materiais de que os ligantes conectores devem ser rígidos para manter as nanopartículas em arranjos planejados.

"Esta é uma nova abordagem na montagem de nanopartículas que não foi investigada antes. É emocionante ter uma nova ferramenta que é tão contra-intuitiva. É o exato oposto do que o dogma tem sido por 20 anos: de que você precisa tornar os ligantes conectores rígidos, e qualquer desvio causa falha na montagem. Mostramos que, se você apenas leva tudo ao extremo oposto, funciona tão bem", diz Rob Macfarlane, professor Richard P. Simmons (1953) de Metalurgia no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.

Como o novo método funciona

A equipe equipou nanopartículas com ligantes altamente flexíveis que carregam cargas elétricas em suas extremidades. Alguns conectores têm cargas positivas e outros têm cargas negativas. Como cargas opostas se atraem, as moléculas conectoras se curvam em direção a parceiros com carga oposta, ajudando as nanopartículas a se unirem.

Os pesquisadores usaram nanopartículas de ouro com ligantes feitos de um polímero comum e flexível chamado PEG, com pontas carregadas positivamente ou negativamente. Simulações computacionais também foram realizadas para acompanhar o que o experimento estava mostrando. Sem rigidez, os ligantes se agrupavam onde as partículas se tocavam, limitando o número de conexões que poderiam ser feitas.

Ao alterar os tamanhos das nanopartículas e os comprimentos de suas cadeias moleculares flexíveis, a equipe pôde controlar quantas partículas vizinhas cada uma conectava. Partículas menores levaram a menos ligações.

Novas estruturas cristalinas e potenciais aplicações

O método produziu estruturas cristalinas ordenadas que não foram vistas antes. Esses arranjos de nanopartículas, muitas vezes chamados de super-redes, são mais abertos do que as estruturas densamente empacotadas que comumente se formam durante a montagem de nanopartículas.

"Sem precisar predizer onde as partículas se conectam ou quais são suas formas, podemos controlar o número de ligações que cada partícula tem", explica Macfarlane. "A quantidade de flexibilidade do polímero determina quantas ligações ele tem. Isso nos permite reduzir o número de ligações que cada partícula tem e criar redes que nunca vimos antes."

Os pesquisadores afirmam que a abordagem poderia apoiar desenvolvimentos em fotônica, catálise química, medicina, agricultura, eletrônica e tecnologias de energia. A funcionalidade dos novos materiais ainda precisa ser examinada e testada.

A equipe de pesquisa incluiu o candidato a doutorado do MIT Nicholas Sbalbi, o estudante de doutorado da University of Delaware Stephen Kronenberger, a estudante de graduação do MIT Hana Shinzawa, Matthew Ye PhD '26, e Arthi Jayaraman, ex-professor da University of Delaware. As descobertas foram publicadas na Nature Materials. A pesquisa recebeu apoio parcial da National Science Foundation, do Department of Energy, do U.S. Army e do U.S. Navy.

Por que isso importa

Controlar como as nanopartículas se organizam determina como um material se comporta. A nova abordagem dá aos cientistas uma maneira de criar materiais projetados com propriedades precisamente engenhadas, sem as técnicas de fabricação complicadas exigidas pelos métodos tradicionais. Os próximos passos serão experimentar com outros materiais de partículas e combinações de ligantes, e testar os materiais em cenários reais.

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Fontes (em inglês)

• sciencedaily.com: MIT scientists break a 20-year rule and unlock never-before-seen crystal structures | ScienceDaily
• sciencealert.com: MIT Scientists Break a 20-Year Rule And Unlock Never-Before-Seen Crystal Structures : ScienceAlert

Tradução feita com IA do artigo original em inglês, revisada automaticamente para dizer o mesmo que o original. As fontes foram verificadas em inglês.