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A nova técnica permite aos cientistas ver cada partícula que constitui os cristais coloidais e criar modelos tridimensionais dinâmicos. Crédito: Shihao Zang, NYU
Desenvolvendo partículas transparentes e imaginando suas posições, os pesquisadores lançam luz sobre interiores nunca antes vistos de estruturas cristalinas.
Uma equipe de Universidade de Nova York pesquisadores criaram uma nova maneira de visualizar cristais, examinando suas estruturas, semelhante à visão de raios-X. Sua nova técnica – que eles apropriadamente chamaram de “Crystal Clear” – combina o uso de partículas transparentes e microscópios com lasers que permitem aos cientistas ver cada unidade que compõe o cristal e criar modelos tridimensionais dinâmicos.
“Esta é uma plataforma poderosa para estudar cristais”, diz Stefano Sacanna, professor de química na NYU e principal investigador do estudo, publicado na revista Materiais da Natureza. “Anteriormente, se você olhasse para um cristal coloidal através de um microscópio, só poderia ter uma noção de sua forma e estrutura da superfície. Mas agora podemos ver o interior e saber a posição de cada unidade na estrutura.”
Compreendendo as estruturas cristalinas
Os cristais atômicos são materiais sólidos cujos blocos de construção são posicionados de forma ordenada e repetitiva. De vez em quando, um átomo está faltando ou fora do lugar, resultando em um defeito. A disposição dos átomos e dos defeitos é o que cria diferentes materiais cristalinos – do sal de cozinha ao diamante – e lhes confere as suas propriedades.
Para estudar os cristais, muitos cientistas, incluindo Sacanna, recorrem a cristais compostos por esferas minúsculas chamadas partículas coloidais, em vez de átomos. As partículas coloidais são minúsculas – muitas vezes com cerca de um micrómetro de diâmetro, ou dezenas de vezes mais pequenas que um fio de cabelo humano – mas são muito maiores que os átomos e, portanto, mais fáceis de ver ao microscópio.
Uma digitalização 3D e um modelo digital de “geminação” de cristais revelam um plano compartilhado dos cristais adjacentes, o que dá origem à sua forma. Crédito: Shihao Zang, NYU
Técnicas Avançadas de Imagem
No seu trabalho contínuo para compreender como se formam os cristais coloidais, os investigadores reconheceram a necessidade de ver o interior destas estruturas. Liderada por Shihao Zang, estudante de doutorado no laboratório de Sacanna e primeiro autor do estudo, a equipe decidiu criar um método para visualizar os blocos de construção dentro de um cristal. Eles primeiro desenvolveram partículas coloidais que eram transparentes e adicionaram moléculas de corante para rotulá-las, tornando possível distinguir cada partícula ao microscópio usando sua fluorescência.
Um microscópio por si só não permitiria aos pesquisadores ver o interior de um cristal, então eles recorreram a uma técnica de imagem chamada microscopia confocal, que usa um feixe de laser que varre o material para produzir fluorescência direcionada a partir das moléculas do corante. Isto revela cada plano bidimensional de um cristal, que pode ser empilhado um sobre o outro para construir um modelo digital tridimensional e identificar a localização de cada partícula. Os modelos podem ser girados, fatiados e desmontados para observar o interior dos cristais e ver quaisquer defeitos.
Num conjunto de experiências, os investigadores utilizaram este método de imagem em cristais que se formam quando dois cristais do mesmo tipo crescem juntos – um fenómeno conhecido como “geminação”. Quando olharam para dentro de modelos de cristais com estruturas equivalentes ao sal de cozinha ou a um Liga de cobre e ouro, eles puderam ver o plano comum dos cristais adjacentes, um defeito que dá origem a essas formas particulares. Este plano compartilhado revelou a origem molecular da geminação.
Análise Dinâmica de Cristal
Além de observar cristais estáticos, esta nova técnica permite aos cientistas visualizar os cristais à medida que mudam. Por exemplo, o que acontece quando os cristais derretem – as partículas se reorganizam e os defeitos se movem? Em um experimento em que os pesquisadores derreteram um cristal com a estrutura do sal mineral cloreto de césio, ficaram surpresos ao descobrir que os defeitos eram estáveis e não se moviam conforme o esperado.
Para validar as suas experiências em cristais estáticos e dinâmicos, a equipa também utilizou simulações de computador para criar cristais com as mesmas características, confirmando que o seu método “Crystal Clear” capturou com precisão o que está dentro dos cristais.
“De certa forma, estamos tentando colocar nossas próprias simulações fora do negócio com este experimento – se você puder ver dentro do cristal, talvez não precise mais de simulações”, brinca Glen Hocky, professor assistente de química na NYU, uma faculdade membro do Simons Center for Computational Physical Chemistry da NYU e co-autor correspondente do estudo.
Aplicações futuras em pesquisa de cristais
Agora que os cientistas têm um método para visualizar o interior dos cristais, podem estudar mais facilmente a sua história química e como se formam, o que poderá abrir caminho à construção de melhores cristais e ao desenvolvimento de materiais fotónicos que interagem com a luz.
“Ser capaz de ver o interior dos cristais nos dá uma visão melhor de como funciona o processo de cristalização e talvez possa nos ajudar a otimizar o processo de cultivo de cristais por design”, acrescenta Sacanna.
Referência: “Permitindo a análise tridimensional do espaço real da cristalização coloidal iônica” 3 de junho de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01917-w
Autores adicionais do estudo incluem Adam Hauser e Sanjib Paul, da NYU. A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (prêmio número W911NF-21-1-0011), com apoio adicional do Instituto Nacional de Saúde (R35GM138312), e utilizou recursos de computação de alto desempenho de TI da NYU, incluindo aqueles apoiados pelo Simons Centro de Química Física Computacional da NYU (número de concessão 839534).