Cientistas descobriram uma nova maneira de observar o interior dos cristais: WebCuriosos

Uma nova técnica que produz modelos 3D de cristais individuais abriu uma janela para os cientistas verem os desvios sutis que emergem em seus padrões perfeitos.

Pesquisadores da Universidade de Nova York (NYU) voltaram à prancheta para descobrir como observar profundamente os sólidos feitos de unidades repetidas e determinar como eles crescem.

Com um comprimento de onda curto, aproximadamente do mesmo tamanho de muitas das unidades repetidas que constituem os cristais, os raios X há muito permitem aos cientistas inferir como os componentes de um cristal se encaixam, medindo o ângulo em que os raios são difratados.

Apesar de toda a sua engenhosidade, porém, a cristalografia de raios X tem seus limites, que são resumidos de forma bastante clara na frase de abertura de um novo artigo publicado em Materiais da Natureza este mês: “As estruturas dos cristais moleculares são identificadas usando técnicas de espalhamento porque não podemos ver o seu interior.”

O artigo descreve uma nova técnica que promete finalmente mudar esse facto – embora não para cristais compostos por unidades repetidas de átomos individuais.

Em vez disso, diz respeito a cristais compostos por padrões baseados em partículas coloidaisque são grandes o suficiente para serem vistos sob um microscópio convencional e manipulados de uma maneira que seria impossível para os átomos.

O estudo de tais cristais permitiu avanços na compreensão da dinâmica dos cristais. Os pesquisadores citam experimentos com estruturas coloidais que esclarecem o formação e evolução de discordâncias dentro de estruturas cristalinas.

Assim como a cristalografia de raios X, esta técnica tem limites. As dificuldades em encontrar maneiras confiáveis ​​de obter imagens de cristais coloidais relativamente complexos fizeram com que seu estudo tenha sido amplamente limitado até agora a estruturas finas e simples formadas a partir de uma única partícula constituinte.

Muitos cristais em escala atômica, por outro lado, são compostos de dois ou mais elementos e formam estruturas tridimensionais complexas.

A nova técnica pioneira da equipe da NYU promete permitir o estudo de análogos coloidais dessas redes relativamente complexas. A técnica se baseia em alguns dos trabalhos anteriores da equipe, nos quais eles desenvolveram um processo denominado “automontagem Coulombic atenuada por polímero”, ou PACS.

PACS usa cargas elétricas de partículas coloidais individuais para atraí-las para redes cristalinas, permitindo a construção confiável de cristais coloidais binários – cristais formados por moléculas compostas por duas espécies diferentes de partículas da mesma forma que, digamos, cristais de sal de cozinha são formados a partir de sódio e cloro.

O novo estudo demonstra a eficácia de semear estas partículas coloidais individuais com um corante fluorescente para distinguir uma espécie da outra – e, o que é mais importante, continua a fazê-lo depois de formarem cristais. Isto significa que, finalmente, os cientistas podem “olhar para dentro” de um cristal totalmente formado e fazer observações diretas das suas entranhas.

Como os pesquisadores relatório“Somos capazes de distinguir todas as partículas dentro de um cristal iônico binário e reconstruir toda a estrutura 3D interna até profundidades de aproximadamente 200 camadas.”

A equipe da NYU relata várias novas descobertas que já foram obtidas a partir de observações.

O processo conhecido como “geminação”, onde as redes de dois cristais se alinham de tal forma que compartilham partes componentes ao longo de um plano comum, há muito tempo é de interesse dos cientistas.

Os pesquisadores descrevem a criação de cristais coloidais que reproduzem as estruturas cúbicas em escala atômica de vários minerais diferentes: a já mencionada rede alternada de sódio e cloro que forma o sal de cozinha; cloreto de césio, onde oito átomos de cloro formam uma “gaiola” em torno de um único átomo de césio; e o exemplo um pouco mais exótico do auricuprida, um composto de cobre e ouro, onde cada face de uma rede cúbica de átomos de ouro é pontuada por um único átomo de cobre, como um dado onde cada face é uma unidade.

Em cada caso, a equipe conseguiu fazer observações diretas da evolução dos cristais geminados, proporcionando assim uma observação experimental direta de como tais estruturas surgem.

“Esta observação direta desvenda inequivocamente as complexidades internas da estrutura cristalina, elucidando a relação entre as interações das partículas e a forma macroscópica do cristal, incluindo o surgimento e o impacto de defeitos e geminação”, disseram os pesquisadores. relatório.

O grupo está ansioso para desvendar os mistérios dos cristais, mais de 100 anos após a descoberta dos raios X ter permitido à humanidade a sua primeira sugestão das complexidades da estrutura cristalina.

A pesquisa foi publicada em Materiais da Natureza.