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Fazer as minúsculas nanopartículas usadas em tudo, de eletrônicos a pinturas, não é fácil. Mas um novo experimento cria ordem no caos.


Estamos constantemente imersos em campos magnéticos. A Terra produz um campo que nos envolve. Torradeiras, micro-ondas e todos os nossos outros aparelhos produzem seus próprios fracos. Todos esses campos são fracos o suficiente para que não possamos senti-los. Mas na nanoescala, onde tudo é tão minúsculo quanto alguns átomos, os campos magnéticos podem reinar supremos.


Em um novo estudo publicado no Journal of Physical Chemistry Letters em abril, os cientistas da UC Riverside aproveitaram esse fenômeno imergindo um vapor de metal em um campo magnético e, em seguida, observando-o reunir gotículas de metal derretido em nanopartículas de formato previsível. Seu trabalho pode tornar mais fácil construir as partículas exatas que os engenheiros desejam, para uso em praticamente qualquer coisa.


Nanopartículas de metal são menores do que um décimo milionésimo de uma polegada, ou apenas um pouco maiores do que a largura do DNA. Eles são usados ​​para fazer sensores, dispositivos de imagens médicas, componentes eletrônicos e materiais que aceleram as reações químicas. Eles podem ser suspensos em fluidos - como em tintas que os usam para prevenir o crescimento de microorganismos ou em alguns filtros solares para aumentar seu FPS.


Embora não possamos notá-los, eles estão essencialmente em toda parte, diz Michael Zachariah, professor de engenharia química e ciência de materiais na UC Riverside e co-autor do estudo. “As pessoas não pensam dessa maneira, mas o pneu do seu carro é um dispositivo de nanotecnologia altamente projetado”, diz ele. “Dez por cento do pneu do seu carro tem essas nanopartículas de carbono para aumentar o desempenho de desgaste e a resistência mecânica do pneu.”


A forma de uma nanopartícula - se é redonda e grumosa ou fina e fibrosa - é o que determina seu efeito quando é incorporada em um material ou adicionada a uma reação química. As nanopartículas não têm uma forma que sirva para todos; os cientistas precisam moldá-los para corresponder com precisão à aplicação que eles têm em mente.


Engenheiros de materiais podem usar processos químicos para formar essas formas, mas há uma compensação, diz Panagiotis Grammatikopoulos, engenheiro da Nanoparticle by Design Unit do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, que não esteve envolvido neste estudo. As técnicas químicas permitem um bom controle sobre a forma, mas requerem a imersão de átomos de metal em soluções e a adição de produtos químicos que afetam a pureza das nanopartículas. Uma alternativa é a vaporização, na qual os metais são transformados em pequenas bolhas flutuantes que podem colidir e se combinar. Mas, diz ele, a dificuldade está em direcionar seu movimento. “Tudo se resume em como você pode obter o mesmo tipo de controle que as pessoas têm com métodos químicos”, diz ele.



Controlar as partículas de metal vaporizadas é um desafio, concorda Pankaj Ghildiyal, estudante de doutorado no laboratório de Zachariah e principal autor do estudo. Quando as nanopartículas são montadas a partir de metais vaporizados, diz ele, sua forma é ditada por forças brownianas ou associadas a movimentos aleatórios. Quando apenas as forças brownianas estão no controle, as gotículas de metal se comportam como um grupo de crianças em um parquinho - cada uma está girando aleatoriamente. Mas a equipe da UC Riverside queria ver se sob a influência de um campo magnético eles se comportariam mais como dançarinos, seguindo a mesma coreografia para alcançar formas previsíveis.


A equipe começou colocando um metal sólido dentro de um dispositivo chamado bobina eletromagnética, que produz fortes campos magnéticos. O metal derreteu, transformou-se em vapor e então começou a levitar, mantido no alto pelo campo. Em seguida, as gotas quentes começaram a se combinar, como se cada uma estivesse agarrando parceiros de dança. Mas, neste caso, o campo magnético da bobina direcionou a coreografia, fazendo com que todos se alinhassem de forma ordenada, determinando em quais mãos cada gota poderia se agarrar.


A equipe descobriu que diferentes tipos de metais tendem a formar diferentes formatos com base em suas interações específicas com o campo. Metais magnéticos, como ferro e níquel, são estruturas fibrosas em linha. Gotículas de cobre, que não são magnéticas, formaram nanopartículas mais grossas e compactas. Crucialmente, o campo magnético tornava as duas formas previsivelmente diferentes, com base no tipo do metal, em vez de fazer com que todas se tornassem o mesmo tipo de globo aleatório.



Além disso, os pesquisadores descobriram que alterar a força do campo magnético os permitiu ajustar ainda mais a forma final da nanopartícula. “Este é um primeiro passo promissor para introduzir mais controle sobre a microestrutura do material”, diz Ghildiyal.


Muitas outras configurações de vaporização, que usam lasers ou fortes correntes elétricas para preparar nanopartículas de metal produzidas para aplicações industriais em larga escala, não oferecem esse tipo de controle. Prithwish Biswas, outro coautor e membro do laboratório, imagina aumentar esses sistemas adicionando um campo magnético. “Alguém pode projetar uma bobina em torno dessas configurações”, diz ele, idealmente algo mais especializado - e que usa menos energia - do que o maquinário que seu grupo usa atualmente. No momento, as bobinas eletromagnéticas do laboratório requerem cerca de 400 vezes mais energia do que uma geladeira comum, e suas correntes são cerca de 30 vezes mais fortes do que aquelas que fluem pelos fios em sua casa.


Realisticamente, pode levar muito tempo até que o experimento dessa equipe chegue a um aplicativo comercial, mas eles têm muitas ideias que gostariam de experimentar. Zachariah imagina que um uso pode ser na blindagem eletromagnética - depositar nanopartículas finas em cima de um dispositivo que precisa ser protegido de campos eletromagnéticos pode ser como cobri-lo com minúsculas antenas defletoras. Ele também está interessado em observar o que acontece quando nanopartículas de metal longas e finas queimam, já que sua pesquisa se concentra em combustíveis nanométricos que podem ser aditivos poderosos ao combustível padrão. Formas fibrosas determinadas magneticamente podem transportar calor de maneira diferente de suas contrapartes mais volumosas, ele conjectura.


A equipe da UC Riverside também usou suas nanopartículas de formatos diferentes para alterar as propriedades da superfície de uma folha muito fina de carbono. Revestir a folha com nanopartículas finas produziu um material mais poroso; nanopartículas estreitas cobriam grande parte da superfície da folha, mas havia mais lacunas entre elas, tornando-a um pouco furada, como o queijo suíço. Mas o uso de grossos resultou em uma superfície menos irregular e mais sólida. Alterar a porosidade de um material dessa forma pode ser útil para projetar filtros ou catalisadores no futuro, observa Ghildiyal.


As superfícies são muito importantes para a construção de partículas minúsculas, diz Lidia Martinez, química do Instituto de Ciência de Materiais de Madri, que não participou do experimento. Pense nisso como projetar um balão muito pequeno: o número de átomos que compõe a capa de borracha do balão é aproximadamente o mesmo que o número de átomos contidos dentro do balão. Por causa disso, diz ela, “a superfície irá condicionar muitas das propriedades do seu material”.


A equipe da UC Riverside também deseja controlar as formas das nanopartículas com ainda mais precisão, alterando as características de seus campos magnéticos. Existem muitos projetos de bobinas eletromagnéticas que poderiam se adaptar para fazer o campo empurrar e puxar as gotículas de maneira ligeiramente diferente antes de se combinarem em nanopartículas. “O poder está essencialmente com você”, diz Ghildiyal. “Você pode ser tão criativo quanto quiser.”


Fonte: Wired

Uma nova maneira de dar forma a nanopartículas de metal - com um campo magnético

Fazer as minúsculas nanopartículas usadas em tudo, de eletrônicos a pinturas, não é fácil. Mas um novo experimento cria ordem no caos.


Estamos constantemente imersos em campos magnéticos. A Terra produz um campo que nos envolve. Torradeiras, micro-ondas e todos os nossos outros aparelhos produzem seus próprios fracos. Todos esses campos são fracos o suficiente para que não possamos senti-los. Mas na nanoescala, onde tudo é tão minúsculo quanto alguns átomos, os campos magnéticos podem reinar supremos.


Em um novo estudo publicado no Journal of Physical Chemistry Letters em abril, os cientistas da UC Riverside aproveitaram esse fenômeno imergindo um vapor de metal em um campo magnético e, em seguida, observando-o reunir gotículas de metal derretido em nanopartículas de formato previsível. Seu trabalho pode tornar mais fácil construir as partículas exatas que os engenheiros desejam, para uso em praticamente qualquer coisa.


Nanopartículas de metal são menores do que um décimo milionésimo de uma polegada, ou apenas um pouco maiores do que a largura do DNA. Eles são usados ​​para fazer sensores, dispositivos de imagens médicas, componentes eletrônicos e materiais que aceleram as reações químicas. Eles podem ser suspensos em fluidos - como em tintas que os usam para prevenir o crescimento de microorganismos ou em alguns filtros solares para aumentar seu FPS.


Embora não possamos notá-los, eles estão essencialmente em toda parte, diz Michael Zachariah, professor de engenharia química e ciência de materiais na UC Riverside e co-autor do estudo. “As pessoas não pensam dessa maneira, mas o pneu do seu carro é um dispositivo de nanotecnologia altamente projetado”, diz ele. “Dez por cento do pneu do seu carro tem essas nanopartículas de carbono para aumentar o desempenho de desgaste e a resistência mecânica do pneu.”


A forma de uma nanopartícula - se é redonda e grumosa ou fina e fibrosa - é o que determina seu efeito quando é incorporada em um material ou adicionada a uma reação química. As nanopartículas não têm uma forma que sirva para todos; os cientistas precisam moldá-los para corresponder com precisão à aplicação que eles têm em mente.


Engenheiros de materiais podem usar processos químicos para formar essas formas, mas há uma compensação, diz Panagiotis Grammatikopoulos, engenheiro da Nanoparticle by Design Unit do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, que não esteve envolvido neste estudo. As técnicas químicas permitem um bom controle sobre a forma, mas requerem a imersão de átomos de metal em soluções e a adição de produtos químicos que afetam a pureza das nanopartículas. Uma alternativa é a vaporização, na qual os metais são transformados em pequenas bolhas flutuantes que podem colidir e se combinar. Mas, diz ele, a dificuldade está em direcionar seu movimento. “Tudo se resume em como você pode obter o mesmo tipo de controle que as pessoas têm com métodos químicos”, diz ele.



Controlar as partículas de metal vaporizadas é um desafio, concorda Pankaj Ghildiyal, estudante de doutorado no laboratório de Zachariah e principal autor do estudo. Quando as nanopartículas são montadas a partir de metais vaporizados, diz ele, sua forma é ditada por forças brownianas ou associadas a movimentos aleatórios. Quando apenas as forças brownianas estão no controle, as gotículas de metal se comportam como um grupo de crianças em um parquinho - cada uma está girando aleatoriamente. Mas a equipe da UC Riverside queria ver se sob a influência de um campo magnético eles se comportariam mais como dançarinos, seguindo a mesma coreografia para alcançar formas previsíveis.


A equipe começou colocando um metal sólido dentro de um dispositivo chamado bobina eletromagnética, que produz fortes campos magnéticos. O metal derreteu, transformou-se em vapor e então começou a levitar, mantido no alto pelo campo. Em seguida, as gotas quentes começaram a se combinar, como se cada uma estivesse agarrando parceiros de dança. Mas, neste caso, o campo magnético da bobina direcionou a coreografia, fazendo com que todos se alinhassem de forma ordenada, determinando em quais mãos cada gota poderia se agarrar.


A equipe descobriu que diferentes tipos de metais tendem a formar diferentes formatos com base em suas interações específicas com o campo. Metais magnéticos, como ferro e níquel, são estruturas fibrosas em linha. Gotículas de cobre, que não são magnéticas, formaram nanopartículas mais grossas e compactas. Crucialmente, o campo magnético tornava as duas formas previsivelmente diferentes, com base no tipo do metal, em vez de fazer com que todas se tornassem o mesmo tipo de globo aleatório.



Além disso, os pesquisadores descobriram que alterar a força do campo magnético os permitiu ajustar ainda mais a forma final da nanopartícula. “Este é um primeiro passo promissor para introduzir mais controle sobre a microestrutura do material”, diz Ghildiyal.


Muitas outras configurações de vaporização, que usam lasers ou fortes correntes elétricas para preparar nanopartículas de metal produzidas para aplicações industriais em larga escala, não oferecem esse tipo de controle. Prithwish Biswas, outro coautor e membro do laboratório, imagina aumentar esses sistemas adicionando um campo magnético. “Alguém pode projetar uma bobina em torno dessas configurações”, diz ele, idealmente algo mais especializado - e que usa menos energia - do que o maquinário que seu grupo usa atualmente. No momento, as bobinas eletromagnéticas do laboratório requerem cerca de 400 vezes mais energia do que uma geladeira comum, e suas correntes são cerca de 30 vezes mais fortes do que aquelas que fluem pelos fios em sua casa.


Realisticamente, pode levar muito tempo até que o experimento dessa equipe chegue a um aplicativo comercial, mas eles têm muitas ideias que gostariam de experimentar. Zachariah imagina que um uso pode ser na blindagem eletromagnética - depositar nanopartículas finas em cima de um dispositivo que precisa ser protegido de campos eletromagnéticos pode ser como cobri-lo com minúsculas antenas defletoras. Ele também está interessado em observar o que acontece quando nanopartículas de metal longas e finas queimam, já que sua pesquisa se concentra em combustíveis nanométricos que podem ser aditivos poderosos ao combustível padrão. Formas fibrosas determinadas magneticamente podem transportar calor de maneira diferente de suas contrapartes mais volumosas, ele conjectura.


A equipe da UC Riverside também usou suas nanopartículas de formatos diferentes para alterar as propriedades da superfície de uma folha muito fina de carbono. Revestir a folha com nanopartículas finas produziu um material mais poroso; nanopartículas estreitas cobriam grande parte da superfície da folha, mas havia mais lacunas entre elas, tornando-a um pouco furada, como o queijo suíço. Mas o uso de grossos resultou em uma superfície menos irregular e mais sólida. Alterar a porosidade de um material dessa forma pode ser útil para projetar filtros ou catalisadores no futuro, observa Ghildiyal.


As superfícies são muito importantes para a construção de partículas minúsculas, diz Lidia Martinez, química do Instituto de Ciência de Materiais de Madri, que não participou do experimento. Pense nisso como projetar um balão muito pequeno: o número de átomos que compõe a capa de borracha do balão é aproximadamente o mesmo que o número de átomos contidos dentro do balão. Por causa disso, diz ela, “a superfície irá condicionar muitas das propriedades do seu material”.


A equipe da UC Riverside também deseja controlar as formas das nanopartículas com ainda mais precisão, alterando as características de seus campos magnéticos. Existem muitos projetos de bobinas eletromagnéticas que poderiam se adaptar para fazer o campo empurrar e puxar as gotículas de maneira ligeiramente diferente antes de se combinarem em nanopartículas. “O poder está essencialmente com você”, diz Ghildiyal. “Você pode ser tão criativo quanto quiser.”


Fonte: Wired

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