Como criar materiais com propriedades impensveis usando nanopartculas impressas em 3D - Informação & Entretenimento

Como criar materiais com propriedades impensveis usando nanopartculas impressas em 3D

Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/04/2024

Tetraedros truncados formando mltiplos gros hexagonais (topo). A anlise da ordem de ligao mostra diferentes gros hexagonais atravs de cores diferentes (parte inferior). Tetraedros vizinhos que tm a mesma cor indicam que tm a mesma orientao de gro. A barra de escala 20 micrmetros.
[Imagem: David Doan/John Kulikowski]

Cristais engenheirados

Quando os diferentes tomos de cada elemento qumico se juntam eles formam materiais com suas prprias caractersticas – junte um amontoado de tomos de chumbo e voc jamais conseguir obter uma pepita de ouro.

As coisas ficam diferentes quando voc comea a construir os materiais a partir de nanopartculas, e no de tomos e molculas. O material que voc obter em escala macro depender sobretudo do formato das nanopartculas, e no da sua composio qumica – em outras palavras, a geometria da partcula fundamental que define as caractersticas e propriedades fsicas do material resultante.

Assim, se voc conseguir construir nanopartculas com formatos diferentes, precisos e reproduzveis, abrir um novo horizonte de possibilidades para fabricao de materiais que podero apresentar caractersticas nicas e novas, eventualmente nunca vistas em materiais naturais.

Esta tem sido a tnica no desenvolvimento dos metamateriais, aqueles dos mantos de invisibilidade e muito mais. S que, at agora, as unidades bsicas dos metamateriais, ou meta-tomos, tm sido grandes. Mas no precisar mais ser assim daqui por diante.

Como criar materiais com propriedades impens

A tcnica torna possvel criar materiais que mudam de forma com gatilhos externos, sejam eltricos, magnticos ou mecnicos.
[Imagem: David Doan et al. – 10.1038/s41467-024-46230-x]

Materiais metamrficos

David Doan e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, desenvolveram uma tcnica que permite fabricar nanoestruturas 3D com preciso e em larga escala. Juntando a escala e as dimenses das nanopartculas, passa a ser possvel criar metamateriais de altssima resoluo, eventualmente at estruturas cristalinas projetadas para apresentar as caractersticas e propriedades desejadas.

“Um cristal feito de nanoesferas se organizar de maneira diferente de um cristal feito de nanodados, e esses arranjos produziro propriedades fsicas muito diferentes,” explicou a professora Wendy Gu, cuja equipe vem aprimorando h alguns anos as tcnicas de impresso 3D na escala dos nanmetros. “Usamos uma tcnica de nanoimpresso 3D para produzir uma das formas mais promissoras conhecidas: Os tetraedros truncados de Arquimedes. So tetraedros em escala de micrmetros com as pontas cortadas.”

Os primeiros testes envolveram a fabricao das nanoestruturas e sua colocao em soluo. Assim como os cristais crescem de uma “semente”, bastou ento acompanhar cada nanoestrutura entrando em seu prprio processo de automontagem, criando novos padres geomtricos e se arranjando em estruturas cristalinas especficas.

Ainda mais interessante, e diferentemente dos cristais naturais, estes cristais projetados podem mudar entre estados em minutos simplesmente reorganizando as partculas em novos padres geomtricos. Esta capacidade de “mudar de fase” – assim que os engenheiros de materiais se referem qualidade da mudana de forma – semelhante ao rearranjo atmico que transforma o ferro em ao temperado, ou em materiais que permitem aos computadores armazenar terabytes de dados em formato digital.

“Se pudermos aprender a controlar essas mudanas de fase em materiais feitos desses tetraedros truncados de Arquimedes, isso poder levar a muitas direes de engenharia promissoras,” disse Wendy.

Como criar materiais com propriedades impens

Esses tetraedros podem se unir em diferentes estruturas cristalinas.
[Imagem: David Doan et al. – 10.1038/s41467-024-46230-x]

Tetraedros truncados de Arquimedes

Os tericos chamam a ateno h muito tempo que os tetraedros truncados de Arquimedes esto entre as geometrias mais desejveis para a produo de materiais que podem facilmente mudar de fase. fcil verificar isto em simulaes de computador, mas at recentemente era difcil fabric-los no mundo real.

Esses tetraedros sem cantos vivos formam pelo menos duas estruturas geomtricas altamente desejveis. A primeira um padro hexagonal na qual os tetraedros ficam planos no substrato, com suas pontas truncadas apontando para cima, como uma cordilheira em nanoescala. A segunda, ainda mais promissora, consiste em uma estrutura cristalina quase igual do diamante, na qual os tetraedros se alternam em orientaes voltadas para cima e para baixo, como ovos em uma caixa de ovos.

O arranjo de diamantes considerado um “Santo Graal” na comunidade fotnica devido s largas possibilidades de seu uso para manipulao da luz, podendo levar a muitas direes cientficas e tecnolgicas novas e interessantes.

De uso mais imediato, porm, o fato de que, quando projetados adequadamente, os futuros materiais feitos de partculas impressas em 3D podem ser reorganizados rapidamente, alternando facilmente entre as fases com a aplicao de um campo magntico, corrente eltrica, calor ou outro mtodo de engenharia.

Entre as possibilidades de uso, a professora Wendy cita revestimentos para painis solares que mudam ao longo do dia para maximizar a eficincia energtica, pelculas hidrofbicas para asas e janelas de avies que nunca embaam ou congelam, ou novos tipos de memria de computador. Mas ela acrescenta que a lista enorme.

“No momento, estamos trabalhando para tornar essas partculas magnticas, para controlar como elas se comportam,” disse Wendy. “As possibilidades esto apenas comeando a ser exploradas.”

Bibliografia:

Artigo: Direct observation of phase transitions in truncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement
Autores: David Doan, John Kulikowski, X. Wendy Gu
Revista: Nature Communications
Vol.: 15, Article number: 1954
DOI: 10.1038/s41467-024-46230-x

Seguir Site Inovação Tecnológica no Google Notícias

Outras notcias sobre:

Mais tópicos

Deixe um comentário