Cientistas da NYU desenvolveram uma maneira de usar luz para guiar como partículas microscópicas se organizam em cristais. O trabalho, publicado na revista Chem da Cell Press, descreve uma técnica simples e reversível para a construção de cristais que pode apoiar a criação de uma nova classe de materiais responsivos e adaptáveis.
Cristais aparecem em toda parte na natureza e na tecnologia, desde flocos de neve e diamantes até o silício em dispositivos eletrônicos. Em sua essência, cristais consistem em partículas organizadas em padrões precisos e repetidos. Para entender melhor como essas estruturas surgem, os pesquisadores muitas vezes estudam partículas coloidais, que são pequenas esferas suspensas em um líquido que se assembleiam naturalmente em arranjos ordenados conhecidos como cristais coloidais. Essas partículas também são componentes-chave em materiais avançados usados em aplicações ópticas e fotônicas, como sensores e lasers.
Embora os cristais sejam comuns e altamente úteis, controlar exatamente como e quando eles se formam continua sendo um grande obstáculo.
“O desafio na área tem sido o controle: os cristais geralmente se formam onde e quando querem, e uma vez que as condições são estabelecidas, você tem uma capacidade limitada de ajustar o processo em tempo real”, disse o autor do estudo, Stefano Sacanna, professor de química na NYU.
Usando Fotoácidos para Controlar Interações Entre Partículas
No estudo publicado na Chem, a equipe identificou um método surpreendentemente simples para direcionar a formação de cristais: iluminando o sistema.
Os pesquisadores introduziram moléculas sensíveis à luz conhecidas como fotoácidos em um líquido contendo partículas coloidais. Quando expostas à luz, essas fotoácidos tornam-se temporariamente mais ácidas. Essa alteração afeta como elas interagem com as superfícies das partículas, alterando a carga elétrica das partículas. Ao modificar a carga, os cientistas podem controlar se as partículas se atraem e se aderem ou se empurram e se separam.
“Essencialmente, usamos a luz como um controle remoto para programar como a matéria se organiza em escala microscópica”, disse Sacanna.
Crescimento e Derretimento de Cristais em Tempo Real
Através de uma combinação de experimentos e simulações por computador, os pesquisadores demonstraram que ajustar o brilho, a duração e o padrão da luz permite dirigir o comportamento dos cristais com uma precisão notável. Eles podem iniciar o crescimento de cristais ou fazer com que cristais se dissolvam sempre que desejam. Eles podem determinar onde ocorre a cristalização, remodelar e “esculpir” as estruturas e aumentar sua uniformidade e tamanho para criar assembleias coloidais maiores e mais intricadas.
“Usar nosso fotoácido nos deu um nível surpreendente de controle sobre a atração entre partículas. Apenas aumentar ou diminuir um pouco a luz fazia a diferença entre a partícula grudar completamente ou estar totalmente livre”, disse o autor do estudo, Steven van Kesteren, da ETH Zürich, que realizou este trabalho na NYU como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Sacanna.
“Como a luz é tão fácil de controlar, pudemos fazer nosso sistema realizar coisas bastante complexas. Poderíamos iluminar aglomerados de partículas e vê-los derreter sob o microscópio, ou brilhar uma luz para que aglomerados aleatórios de partículas se organizassem em cristais. Também poderíamos remover cristais específicos com facilidade, simplesmente descolando as partículas naquele ponto”, acrescentou van Kesteren.
Configuração em Um Só Recipiente com Montagem Reversível
Uma vantagem notável dessa abordagem é que ela funciona como um experimento de “um só recipiente”. A equipe não precisou redesenhar partículas ou ajustar repetidamente as concentrações de sal em ensaios separados. Ao simplesmente mudar o nível de iluminação, eles podiam fazer com que as partículas se montassem em cristais ou se separassem novamente.
Rumo a Materiais Programáveis por Luz
Esse avanço aponta para materiais cuja estrutura interna, e, portanto, suas propriedades, podem ser ajustadas com luz. Por exemplo, materiais fotônicos poderiam ter sua cor ou resposta óptica escritas, apagadas e reescritas conforme necessário. Cristais coloidais programáveis por luz podem eventualmente permitir revestimentos ópticos reconfiguráveis, sensores adaptativos e tecnologias de armazenamento e exibição 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, Glen Hocky, professor associado de química e membro da faculdade do Simons Center for Computational Physical Chemistry na NYU. “Este sistema também nos permite testar várias previsões sobre como a auto-assembleia deve se comportar quando as interações entre partículas ou moléculas estão mudando no espaço ou no tempo.”
Outros autores do estudo incluem Nicole Smina, Shihao Zang e Cheuk Wai Leung da NYU. A pesquisa foi apoiada pelo US Army Research Office (prêmio W911NF-21-1-0011), pela Swiss National Science Foundation (subvenção 217966) e pelo NYU Simons Center for Computational Physical Chemistry (subvenção 839534).
