Qumica baseada na entropia constri cristais com a propriedade desejada

Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 02/06/2021

Cristais artificiais

A palavra cristal provavelmente lhe faz pensar em uma linda pedra polida, transparente ou colorida, como um cristal de quartzo, um diamante, uma esmeralda etc.

Mas os cristais esto por todos os lados; no seu saleiro, por exemplo.

O sal de cozinha, ou cloreto de sdio (NaCl), um cristal formado por ons de sdio carregados positivamente (Na⁺) e ons de cloro carregados negativamente (Cl^–). Voc pode imaginar os ons como pequenas esfera que se atraem fortemente devido s diferentes cargas eltricas, formando cristais densamente compactados e rgidos.

J o diamante e o quartzo so cristais formados por apenas um tipo de tomo, mas igualmente mantidos coesos por fortes foras de ligao – o diamante formado por tomos de carbono, enquanto o quartzo formado por tomos de silcio.

E que tal se fosse possvel construir outros cristais, com diferentes propriedades, usando no tomos, mas nanopartculas, e que essas nanopartculas pudessem ser igualmente mantidas coesas sem essas conhecidas foras atmicas e moleculares?

Pois isto foi justamente o que acaba de fazer Ihor Cherniukh e colegas do Laboratrio Federal Suo de Cincia e Tecnologia de Materiais: a primeira vez que os cientistas conseguem montar uma matria de baixo para cima usando nanopartculas para formar cristais, garante a equipe.

A inovao mereceu a capa da revista Nature.
[Imagem: Ihor Cherniukh et al. – 10.1038/s41586-021-03492-5]

Super-redes cristalinas

As nanopartculas so elas prprias cristais muito pequenos, tipicamente nanocristais inorgnicos (sem carbono). E com uma vantagem interessante: Elas podem interagir umas com as outras de modos muito variados.

“Elas podem ser to duras quanto bolas de bilhar, no sentido de que s sentem umas s outras quando colidem. Ou podem ter superfcies mais macias, como bolas de tnis. Alm disso, elas podem ser construdas em muitas formas diferentes: No apenas esferas, mas tambm cubos ou outros poliedros, ou entidades mais anisotrpicas,” explicou o professor Maksym Kovalenko.

Esses diferentes formatos, composies, propriedades e modos de interao permitem usar essas nanopartculas para criar padres organizados e muito densos, conhecidos como superredes. Nos ltimos anos, vrios experimentos mostraram que isso possvel misturando nanopartculas de formato esfrico.

A equipe sua agora abriu muito o leque dessas possibilidades ao descobrir como usar nanopartculas de diversos formatos, das esferas a cubos e outros formatos polidricos. Ao misturar esferas e cubos, por exemplo, os nanocristais se organizam para formar estruturas familiares no mundo dos minerais naturais, como sal-gema ou as j famosas perovskitas, que vm revolucionando o mundo dos semicondutores e dos materiais fotnicos. E a equipe ainda nem terminou os experimentos com cilindros e discos.

Megacristais

As estruturas construdas pela equipe so megacristais, at 100 vezes maiores do que as unidades bsicas dos cristais convencionais, alm de poderem ser projetadas de acordo com a aplicao que se tiver em mente.

Por exemplo, a equipe descobriu como construir cristais que apresentam ou no o fenmeno da superfluorescncia, uma novidade que eles prprios haviam apresentado no ano passado – na superfluorescncia a luz irradiada de forma coletiva e muito mais rpida do que os mesmos nanocristais podem fazer em seu estado convencional.

Os materiais de perovskita so muito eficientes para transformar a luz em eletricidade, por isso esto sendo estudados para uso em clulas solares avanadas. Agora, com estas tcnicas de montagem, os pesquisadores afirmam que diferentes nanopartculas podero ser combinadas para produzir novos materiais com propriedades complementares simultneas, como a capacidade de absorver diferentes comprimentos de onda da luz, por exemplo.

Estrutura do megacristal superfluorescente construdo pela equipe, que tem propriedades eltricas e pticas inexistentes nos materiais naturais.
[Imagem: Maksym Kovalenko/Ihor Cherniukh/ETH Zurich]

Entropia como fora organizadora

O que particularmente curioso na formao desses megacristais artificiais que sua estrutura altamente ordenada criada exclusivamente pela fora da entropia, isto , o esforo perptuo da natureza para levar tudo desordem mxima – recente a descoberta de que a entropia pode produzir ordem.

Essa paradoxal fora organizadora emerge porque, durante a formao do cristal, as nanopartculas tendem a usar o espao ao seu redor da forma mais eficiente possvel, a fim de maximizar sua liberdade de movimento durante os estgios finais da evaporao do solvente usado no processo de fabricao, ou seja, antes que elas sejam “congeladas” em suas posies na rede cristalina.

A forma dos nanocristais individuais tambm desempenha um papel crucial – cubos de perovskita permitem um adensamento maior do que o que se pode obter com nanopartculas totalmente esfricas. Assim, a fora da entropia faz com que os nanocristais sempre se arranjem no empacotamento mais denso possvel – desde que sejam projetados de forma a no se atrair ou se repelir por outros meios, como a eletrosttica.

Em resumo, um novo tipo de qumica, com a possibilidade de criar tipos inteiramente novos de cristais, que exigiro sua prpria classificao e tero suas prprias possibilidades de aplicao.

“E isso agora levanta muitas outras questes; Ainda estamos no comeo: Quais propriedades fsicas essas superredes fracamente ligadas apresentam e qual a relao estrutura-propriedade? Elas podem ser usadas para certas aplicaes tcnicas, digamos, em computao quntica ptica ou em imagens qunticas? De acordo com que leis matemticas elas se formam? Elas so realmente termodinamicamente estveis ou esto apenas cineticamente presas?” comentou o professor Kovalenko, adiantando que j est em busca de colegas tericos que possam ajudar a prever o que ainda pode acontecer nesse campo emergente.

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