Entropia produz a ordem e cria nanoestruturas complexas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/07/2012

A entropia cuida de organizar as nanopartículas em cristais regulares, cristais líquidos, cristais plásticos ou vidros. [Imagem: Pablo Damasceno et al./Science]

Auto-organização

O cientista brasileiro Pablo Damasceno é o principal autor de um estudo publicado no exemplar desta semana da revista Science que promete mudar o jogo no campo da nanotecnologia e da nanofabricação.

Cada vez em maiores apuros para manter o ritmo da miniaturização, sobretudo no campo da eletrônica, a indústria deposita suas esperanças na chamada fabricação "de baixo para cima", que torna possível alcançar uma precisão que não pode ser obtida pelas técnicas tradicionais "de cima para baixo".

Embora o conceito teórico proponha o uso de átomos e moléculas como blocos básicos de construção, o uso de nanopartículas é muito mais viável e realista, principalmente se baseado em técnicas de automontagem.

"Um dos maiores desafios em nanoengenharia química e de materiais hoje em dia é o de como criar novas estruturas - normalmente envolvendo arranjos complicados de nanopartículas - de uma forma completamente espontânea, auto-organizada, simplesmente seguindo as leis da termodinâmica," explica Damasceno.

"De fato, se quisermos continuar a criar eletrônicos com mais e mais transistores por centímetro quadrado, logo atingiremos o limite no qual será impossível organizar as partículas no padrão adequado devido a seu tamanho nanoscópico e à quantidade imensa. Um método de auto-organização, portanto, é o desejado," completou ele.

Sólidos complexos

Um método agora não apenas desejado, mas muito mais próximo da realidade, graças ao trabalho que o brasileiro e seu colega Michael Engel fizeram no laboratório da Dra. Sharon Glotzer, na Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

Eles desenvolveram um método capaz de prever como as nanopartículas dispersas em um fluido vão se organizar autonomamente para formar um sólido com base em apenas dois parâmetros: o formato das partículas e a quantidade de vizinhos presentes no fluido.

O mais promissor, contudo, é que, em vez de nanopartículas esféricas, com as quais a quase totalidade dos grupos de pesquisas ao redor do mundo trabalha hoje, Damasceno trabalhou com poliedros de formatos muito complexos.

Enquanto nanopartículas esféricas costumam se aglomerar em estruturas cristalinas simples, sem grandes aplicações práticas, formatos sólidos bem definidos podem gerar estruturas em macroescala igualmente bem definidas, abrindo a possibilidade de fabricação de peças e materiais complexos.

As possibilidades de auto-organização das nanopartículas sólidas são praticamente inumeráveis, abrindo enormes possibilidades de sintetização de novos materiais. [Imagem: Pablo Damasceno et al./Science]

Ordem pela entropia

E, em vez de um complexo processo de fabricação, tudo o que é necessário fazer com as nanopartículas é deixar que as coisas aconteçam por si sós, levadas pela entropia.

Embora normalmente associada a uma tendência à desordem, a entropia também pode causar a ordem, fazendo os objetos se organizarem - basta restringir o espaço disponível para que esses objetos se rearranjem.

Quando postas em um espaço pequeno o suficiente, em vez de se espalharem aleatoriamente, as partículas começam a formar estruturas ordenadas, de forma similar à que acontece quando os átomos se organizam para formar cristais.

Em 2010, outra pesquisa do mesmo grupo mostrou a possibilidade de que tetraedros se organizassem para formar quasicristais, as incríveis estruturas que valeram oPrêmio Nobel de Química de 2011 ao persistente Dr. Dan Shechtman.

Mas Damasceno não se contentou com tetraedros e fez os cálculos para verificar as possibilidades de auto-organização de 145 formatos diferentes de nanopartículas - ele estudou poliedros platônicos, de Archimedes, de Johnson, de Catalan, entre outros.

Isso foi suficiente para mostrar que existem correlações claras entre a forma das nanopartículas e as estruturas que elas geram.

"Não só isto, mas as correlações foram tão claras que nos proporcionaram a possibilidade de predizer, para qualquer poliedro convexo, qual o tipo de estrutura no qual ele irá se auto-organizar," explicou Damasceno.

Da esquerda para a direita, o brasileiro Pablo Damasceno, Sharon Glotzer e Michael Engel, autores do estudo que promete mudar o jogo no campo da nanofabricação. [Imagem: UMich]

Cristais ou vidros

Quase 70% dos formatos estudados resultaram em estruturas do tipo cristalino criadas apenas pela atuação da entropia - eles obtiveram até uma complicadíssima estrutura cristalográfica conhecida como gamma-Brass, formada por unidades repetitivas de 52 partículas cada uma.

"Esta é uma estrutura cristalina extraordinariamente complexa mesmo para átomos, o que dirá para partículas isoladas, que não podem se ligar quimicamente," comentou a professora Glotzer.

Além de cristais normais, as partículas podem formar cristais líquidos, como os usados em telas de TV e monitores de computador, e cristais plásticos, nos quais as partículas podem girar sobre si mesmas sem sair do lugar. Sem contar as estruturas totalmente desordenadas, semelhantes aos vidros.

"Com isso, qualquer pesquisador interessado em criar um determinado tipo de estrutura usando nanopartículas poderá consultar nossa tabela e então tentar sintetizar a nanopartícula que irá dar origem a tal estrutura," resume Damasceno.

E também poderão fazer o inverso: partindo das propriedades desejadas do material que desejam construir, poderão calcular o formato da partícula necessária para a tarefa.

O piauiense Pablo Damasceno fez sua graduação na Universidade Federal de São Carlos (SP) e está há três anos no grupo da professora Sharon Glotzer, na Universidade de Michigan, em Ann Arbor.

Bibliografia:

Predictive Self-Assembly of Polyhedra into Complex Structures
Pablo F. Damasceno, Michael Engel, Sharon C. Glotzer
Science
Vol.: 337 no. 6093 pp. 453-457
DOI: 10.1126/science.1220869

A Roadmap for the Assembly of Polyhedral Particles
Joost de Graaf, Liberato Manna
Science
Vol.: 337 no. 6093 pp. 417-418
DOI: 10.1126/science.1226162