Cientistas acabaram de transformar a luz em um controle remoto para cristais

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 consistem em partículas organizadas em padrões precisos e repetidos. Para compreender melhor como surgem estas estruturas, os investigadores estudam frequentemente partículas coloidais, que são minúsculas esferas suspensas num líquido 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 altamente úteis, controlar exatamente como e quando eles se formam continua sendo um grande obstáculo.

“O desafio no campo tem sido o controle: os cristais geralmente se formam onde e quando querem, e uma vez estabelecidas as condições, você tem 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 de partículas

Em seu estudo químico, a equipe identificou um método surpreendentemente simples para direcionar a formação de cristais: iluminar o sistema com luz.

Os pesquisadores introduziram moléculas sensíveis à luz, conhecidas como fotoácidos, em um líquido contendo partículas coloidais. Quando expostos à luz, esses fotoácidos tornam-se brevemente mais ácidos. Essa mudança afeta a forma 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 unem e grudam ou se separam e se separam.

“Essencialmente, usamos a luz como controle remoto para programar como a matéria se organiza em microescala”, disse Sacanna.

Crescimento e derretimento de cristais em tempo real

Através de uma combinação de experimentos e simulações de computador, os pesquisadores demonstraram que ajustar o brilho, a duração e o padrão da luz permite direcionar o comportamento do cristal com notável precisão. Eles podem iniciar o crescimento do cristal ou fazer com que os cristais se dissolvam sempre que desejarem. Eles podem determinar onde ocorre a cristalização, remodelar e “esculpir” as estruturas e melhorar sua uniformidade e tamanho para criar conjuntos coloidais maiores e mais intrincados.

“Usar nosso fotoácido nos deu um nível surpreendente de controle sobre a atração entre as partículas. Apenas aumentar ou diminuir um pouco a luz fazia a diferença entre a partícula aderir totalmente ou ser totalmente livre”, disse o autor do estudo, Steven van Kesteren, da ETH Zürich, que conduziu este trabalho na NYU como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Sacanna.

“Como a luz é tão fácil de controlar, poderíamos fazer com que nosso sistema fizesse coisas bastante complexas. Poderíamos disparar luz em bolhas de partículas e vê-las derreter sob o microscópio, ou acender uma luz para que bolhas aleatórias de partículas se ordenassem em cristais. Também poderíamos remover cristais específicos com bastante facilidade, simplesmente descolando as partículas naquele local, “acrescentou van Kesteren.

Configuração de um pote com montagem reversível

Uma vantagem notável desta abordagem é que ela funciona como um experimento “one pot”. A equipe não precisou redesenhar as partículas ou ajustar repetidamente as concentrações de sal em ensaios separados. Simplesmente alterando o nível de iluminação, eles poderiam fazer com que as partículas se agrupassem em cristais ou se quebrassem novamente.

Em direção a materiais programáveis ​​leves

Esse avanço aponta para materiais cuja estrutura interna e, portanto, suas propriedades, podem ser ajustadas por meio da luz. Por exemplo, materiais fotônicos poderiam ter sua cor ou resposta óptica escrita, apagada e reescrita sob demanda. Cristais coloidais programáveis ​​por luz podem eventualmente permitir revestimentos ópticos reconfiguráveis, sensores adaptativos e tecnologias de exibição e armazenamento 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 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 NYU. 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).