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A simulação mostra os decaedros agrupados em uma estrutura quase cristalina à esquerda, com um diagrama da estrutura à direita. Crédito: Grupo Glotzer, Universidade de Michigan.
A inovação abre caminho para o projeto e construção de estruturas mais complexas.
Nanoengenheiros criaram um quasicristal – uma estrutura material cientificamente intrigante e tecnologicamente promissora – a partir de nanopartículas usando ADNa molécula que codifica a vida.
A equipe, liderada por pesquisadores da Universidade Northwestern, da Universidade de Michigan e do Centro de Pesquisa Cooperativa em Biomateriais em San Sebastian, Espanha, relata os resultados em Materiais da Natureza.
A natureza única dos quasicristais
Ao contrário dos cristais comuns, que são definidos por uma estrutura repetitiva, os padrões nos quasicristais não se repetem. Os quasicristais construídos a partir de átomos podem ter propriedades excepcionais – por exemplo, absorver calor e luz de maneira diferente, exibir propriedades eletrônicas incomuns, como conduzir eletricidade sem resistência, ou suas superfícies são muito duras ou muito escorregadias.
Engenheiros estudando nanoescala montagem muitas vezes vêem as nanopartículas como uma espécie de 'designer' átomo,' que fornece um novo nível de controle sobre materiais sintéticos. Um dos desafios é direcionar as partículas para se reunirem em estruturas desejadas com qualidades úteis e, ao construir este primeiro quasicristal montado em DNA, a equipe entrou em uma nova fronteira no design de nanomateriais.
Pioneira na montagem de DNA em nanomateriais
“A existência de quasicristais tem sido um enigma há décadas, e sua descoberta foi apropriadamente premiada com o Prêmio Nobel”, disse Chad Mirkin, professor de Química George B. Rathmann da Universidade do Noroeste e coautor correspondente do estudo. “Embora existam agora vários exemplos conhecidos, descobertos na natureza ou através de rotas fortuitas, a nossa investigação desmistifica a sua formação e, mais importante, mostra como podemos aproveitar a natureza programável do ADN para projetar e montar deliberadamente quasicristais.”
Uma ferramenta matemática chamada transformada rápida de Fourier mapeia a estrutura de uma forma que revela a simetria de 12 vezes do quasicristal. A transformada rápida de Fourier da imagem do microscópio eletrônico do quasicristal é mostrada à esquerda, enquanto a transformada do cristal simulado é mostrada à direita. Crédito: Mirkin Research Group, Northwestern University e Glotzer Group, University of Michigan
DNA: a ferramenta de design para nanopartículas
O grupo de Mirkin é conhecido por usar DNA como cola de design para projetar a formação de cristais coloidais feitos de nanopartículas, e o grupo de Luis Liz-Marzán, professor Ikerbasque no Centro Espanhol de Pesquisa Cooperativa em Biomateriais, poderia produzir nanopartículas que poderiam formar quasicristais nas condições certas.
A equipe se concentrou em formas bipiramidais – basicamente duas pirâmides coladas em suas bases. O grupo de Liz-Marzán tentou diferentes números de lados, bem como comprimiu e esticou as formas. Wenjie Zhou e Haixin Lin, estudantes de doutorado em química na Northwestern na época do trabalho, usaram cadeias de DNA codificadas para se reconhecerem umas às outras para programar as partículas para se reunirem em um quasicristal.
Independentemente, o grupo de Sharon Glotzer, Cátedra Anthony C. Lembke de Engenharia Química da UM, vinha simulando bipirâmides com diferentes números de lados. Yein Lim e Sangmin Lee, estudantes de doutorado em engenharia química na UM, descobriram que os decaedros – bipirâmides pentagonais de 10 lados – formariam um quasicristal sob certas condições e com as dimensões relativas corretas.
Em 2009, a equipe de Glotzer previu o primeiro quasicristal de nanopartículas em camadas, não de bipirâmides, mas de tetraedros – pirâmides únicas com quatro lados triangulares, como um dado D4. Como cinco tetraedros quase podem formar um tipo de decaedro, ela diz que o decaedro foi uma escolha inteligente para fazer um quasicristal.
“Em nossa simulação quasicristalina original, os tetraedros se organizaram em decaedros com intervalos muito pequenos entre os tetraedros. Aqui, essas lacunas seriam preenchidas pelo DNA, por isso fazia sentido que os decaedros também pudessem formar quasicristais”, disse Glotzer, co-autor correspondente do estudo.
Sinergia Teórica e Experimental
Através de uma combinação de teoria e experimento, os três grupos de pesquisa transformaram as partículas do decaedro em um quasicristal, o que foi confirmado por imagens de microscópio eletrônico na Northwestern e espalhamento de raios X feito no Laboratório Nacional de Argonne.
“Através da engenharia bem-sucedida de quasicristais coloidais, alcançamos um marco significativo no domínio da nanociência”, disse Liz-Marzán, coautora correspondente do estudo. “Nosso trabalho não apenas esclarece o design e a criação de estruturas complexas em nanoescala, mas também abre um mundo de possibilidades para materiais avançados e aplicações inovadoras de nanotecnologia.”
A estrutura se assemelha a um conjunto de rosetas em círculos concêntricos, as formas de 10 lados criando uma simetria de 12 vezes em camadas 2D que se empilham periodicamente. Essa estrutura empilhada, também vista em quasicristais feitos de tetraedros, é chamada de quasicristal axial. Mas, ao contrário da maioria dos quasicristais axiais, o padrão de ladrilhos das camadas do novo quasicristal não se repete de forma idêntica de uma camada para outra. Em vez disso, uma percentagem significativa de peças é diferente, de forma aleatória – e esta pequena quantidade de desordem acrescenta estabilidade.
Referência: “Quasicristais coloidais projetados com DNA” por Wenjie Zhou, Yein Lim, Haixin Lin, Sangmin Lee, Yuanwei Li, Ziyin Huang, Jingshan S. Du, Byeongdu Lee, Shunzhi Wang, Ana Sánchez-Iglesias, Marek Grzelczak, Luis M. Liz-Marzán, Sharon C. Glotzer e Chad A. Mirkin, 2 de novembro de 2023, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01706-x
A pesquisa é financiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Ministério de Ciência e Inovação espanhol e pelo Programa de Unidades de Excelência Maria de Maeztu da Agência Estatal de Pesquisa Espanhola. O projeto também contou com recursos do Extreme Science and Engineering Discovery Environment, NUANCE da Northwestern University e recursos computacionais da UM.