Novo estado da matria cristalino e fluido ao mesmo tempo

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Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 03/01/2022

Novo estado da mat

Os aglomerados cristalinos consistem em um ncleo de polmeros orgnicos cercado por molculas de DNA (direita). Pressionados, eles apresentam propriedades de cristais e de lquidos ao mesmo tempo.
[Imagem: Natasa Adzic/University of Vienna]

Aglomerados cristalinos

A noo prevalente na fsica e na qumica que, para que duas ou mais partculas se renam para formar aglomerados ou unidades maiores, elas precisam atrair-se mutuamente.

Uma equipe da Universidade de Viena, na ustria, acaba de demonstrar que no precisa ser necessariamente assim, rompendo com essa noo intuitiva de que as partculas precisam se atrair para formar aglomerados estveis.

H cerca de 20 anos, a equipe do professor Christos Likos previu, com base em consideraes tericas, que partculas puramente repulsivas tambm podem formar aglomerados, desde que elas estejam totalmente sobrepostas e que sua repulso cumpra certos critrios matemticos.

Desde aquela proposta seminal, novos trabalhos tericos e computacionais tm demonstrado que, se comprimidos sob presso externa, esses aglomerados devem desenvolver uma ordem cristalina de forma semelhante aos materiais convencionais, como cobre e alumnio.

Em termos simples, a ordem das partculas em um cristal cria uma estrutura de rede peridica na qual todas as partculas tm posies previsveis – os slidos cristalinos incorporam a noo de rigidez nessas posies, em oposio fluidez observada nos lquidos.

As partculas que formam esses at ento hipotticos aglomerados de cristais, no entanto, apresentam alta mobilidade, saltando continuamente de um local da rede para o prximo. Isso d a esses slidos propriedades semelhantes s dos lquidos.

Novo estado da mat

Representaes esquemticas das partculas formadoras dos aglomerados cristalinos em diferentes concentraes.
[Imagem: Emmanuel Stiakakis et al. – 10.1038/s41467-021-27412-3]

Hbrido de slido e lquido

Agora, a equipe finalmente conseguiu sintetizar em laboratrio um aglomerado cristalino e comprovar essa mescla de propriedades de slido e de lquido convivendo no mesmo material.

Eles criaram partculas hbridas com uma estrutura semelhante a um pompom. O ncleo dessas partculas composto de polmeros orgnicos, aos quais as molculas de DNA esto ligadas e se projetam em todas as direes, como os fios de l de um pompom.

Esta estrutura permite que as molculas sejam empurradas para dentro umas das outras e, assim, sejam suficientemente comprimidas. Ao mesmo tempo, a combinao de uma repulso eletrosttica dos componentes de DNA naturalmente carregados, e uma interao fraca dos polmeros no centro das construes, garante a interao geral necessria para dar estabilidade ao aglomerado.

“O DNA particularmente adequado para as nossas intenes, uma vez que ele pode ser montado com relativa facilidade na forma e tamanho desejados devido ao mecanismo de emparelhamento de base Watson-Crick. Em combinao com ncleos de polmero, a forma e repulso das partculas hbridas podem ser finamente ajustadas e diferentes variaes podem ser produzidas com relativa rapidez,” contou Emmanuel Stiakakis, responsvel pela sntese dos aglomerados.

Segundo a equipe, esse novo tipo de “matria mole” pode dar origem a vrios tipos de nanoestruturas bem ordenadas com vrias propriedades e comportamentos, incluindo cristais birrefringentes, bem como fases hexagonais e estados cineticamente travados semelhantes ao vidro, s que maleveis.

Bibliografia:

Artigo: Self assembling cluster crystals from DNA based dendritic nanostructures
Autores: Emmanuel Stiakakis, Niklas Jung, Natasa Adzic, Taras Balandin, Emmanuel Kentzinger, Ulrich Rcker, Ralf Biehl, Jan K. G. Dhont, Ulrich Jonas, Christos N. Likos
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 7167
DOI: 10.1038/s41467-021-27412-3

Artigo: Criterion for determining clustering versus reentrant melting behavior for bounded interaction potentials
Autores: C. N. Likos, A. Lang, M. Watzlawek, H. Lwen
Revista: Physical Review E
Vol.: 63, 031206
DOI: 10.1103/PhysRevE.63.031206

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