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Imagens ópticas de tetraedros truncados formando múltiplos grãos hexagonais (topo). A análise da ordem de ligação mostra diferentes grãos hexagonais através de cores diferentes (parte inferior). Tetraedros vizinhos que têm a mesma cor indicam que têm a mesma orientação de grão. A barra de escala é 20 um. Crédito: David Doan e John Kulikowski
Os engenheiros de materiais de Stanford utilizaram a impressão 3D para criar dezenas de milhares de nanopartículas difíceis de fabricar, que deverão levar ao desenvolvimento de novos materiais capazes de alterar instantaneamente a sua forma.
Nos nanomateriais, a forma é o destino. Ou seja, a geometria da partícula no material define as características físicas do material resultante.
“Um cristal feito de rolamentos de nanoesferas se organizará de maneira diferente de um cristal feito de nanodados e esses arranjos produzirão propriedades físicas muito diferentes”, disse Wendy Gu, professora assistente de engenharia mecânica na Universidade de Stanford, apresentando seu último artigo. que aparece na revista Comunicações da Natureza. “Usamos uma técnica de nanoimpressão 3D para produzir uma das formas mais promissoras conhecidas – tetraedros truncados de Arquimedes. Eles são tetraedros em escala micrométrica com as pontas cortadas.”
No artigo, Gu e seus coautores descrevem como nanoimprimiram dezenas de milhares dessas nanopartículas desafiadoras, misturaram-nas em uma solução e depois observaram como elas se automontavam em várias estruturas cristalinas promissoras. Mais criticamente, estes materiais podem mudar entre estados em minutos simplesmente reorganizando as partículas em novos padrões geométricos.
Esta capacidade de mudar “fases”, como os engenheiros de materiais se referem à qualidade da mudança de forma, é semelhante ao rearranjo atómico que transforma o ferro em aço temperado, ou em materiais que permitem aos computadores armazenar terabytes de dados valiosos em formato digital.
“Se pudermos aprender a controlar essas mudanças de fase em materiais feitos desses tetraedros truncados de Arquimedes, isso poderá levar a muitas direções de engenharia promissoras”, disse ela.
Presa indescritível
Há muito que se teoriza que os tetraedros truncados de Arquimedes (ATTs) estão entre as geometrias mais desejáveis para a produção de materiais que podem facilmente mudar de fase, mas até recentemente eram difíceis de fabricar – previstos em simulações de computador, mas difíceis de reproduzir no mundo real.
Gu é rápida em apontar que sua equipe não é a primeira a produzir nanoescala Tetraedros truncados de Arquimedes em quantidade, mas eles estão entre os primeiros, senão os primeiros, a usar nanoimpressão 3D para fazer isso.
“Com a nanoimpressão 3D, podemos fazer praticamente qualquer formato que quisermos. Podemos controlar o formato das partículas com muito cuidado”, explicou Gu. “Esta forma específica foi prevista por simulações para formar estruturas muito interessantes. Quando você pode juntá-los de várias maneiras, eles produzem propriedades físicas valiosas.”
Os ATTs formam pelo menos duas estruturas geométricas altamente desejáveis. O primeiro é um padrão hexagonal no qual os tetraedros ficam planos no substrato com suas pontas truncadas apontando para cima, como uma cordilheira em nanoescala. A segunda talvez seja ainda mais promissora, disse Gu. É uma estrutura cristalina quase-diamante na qual os tetraedros se alternam nas orientações voltadas para cima e para baixo, como ovos descansando em uma caixa de ovos. O arranjo de diamantes é considerado um “Santo Graal” na comunidade fotônica e pode levar a muitas direções científicas novas e interessantes.
Mais importante ainda, no entanto, quando projetados adequadamente, os futuros materiais feitos de partículas impressas em 3D podem ser reorganizados rapidamente, alternando facilmente entre as fases com a aplicação de um campo magnético, corrente elétrica, calor ou outro método de engenharia.
Gu disse que pode imaginar revestimentos para painéis solares que mudam ao longo do dia para maximizar a eficiência energética, películas hidrofóbicas da nova era para asas e janelas de aviões que significam que nunca embaçam ou congelam, ou novos tipos de memória de computador. A lista continua e continua.
“No momento, estamos trabalhando para tornar essas partículas magnéticas para controlar como elas se comportam”, disse Gu sobre sua última pesquisa já em andamento usando nanopartículas de tetraedro truncado de Arquimedes de novas maneiras. “As possibilidades estão apenas começando a ser exploradas.”
Referência: “Observação direta de transições de fase em micropartículas tetraédricas truncadas sob confinamento quase 2D” por David Doan, John Kulikowski e X. Wendy Gu, 25 de março de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46230-x
Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation, uma bolsa de pós-graduação de Stanford. DD, JK, Fundação Hellman e Fundação Nacional de Ciência. Parte deste trabalho foi realizada nas Stanford Nano Shared Facilities, que é apoiada pela National Science Foundation, e no Stanford Cell Sciences Imaging Facility.