Novo estado da matéria é formado por partículas que não se atraem

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/01/2022

Os aglomerados cristalinos consistem em um núcleo de polímeros orgânicos cercado por moléculas de DNA (direita). Pressionados, eles apresentam propriedades de cristais e de líquidos ao mesmo tempo.
[Imagem: Natasa Adzic/University of Vienna]

Aglomerados cristalinos

A noção prevalente na física e na química é que, para que duas ou mais partículas se reúnam para formar aglomerados ou unidades maiores, elas precisam atrair-se mutuamente.

Uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria, acaba de demonstrar que não precisa ser necessariamente assim, rompendo com essa noção intuitiva de que as partículas precisam se atrair para formar aglomerados estáveis.

Há cerca de 20 anos, a equipe do professor Christos Likos previu, com base em considerações teóricas, que partículas puramente repulsivas também podem formar aglomerados, desde que elas estejam totalmente sobrepostas e que sua repulsão cumpra certos critérios matemáticos.

Desde aquela proposta seminal, novos trabalhos teóricos e computacionais têm demonstrado que, se comprimidos sob pressão externa, esses aglomerados devem desenvolver uma ordem cristalina de forma semelhante aos materiais convencionais, como cobre e alumínio.

Em termos simples, a ordem das partículas em um cristal cria uma estrutura de rede periódica na qual todas as partículas têm posições previsíveis - os sólidos cristalinos incorporam a noção de rigidez nessas posições, em oposição à fluidez observada nos líquidos.

As partículas que formam esses até então hipotéticos aglomerados de cristais, no entanto, apresentam alta mobilidade, saltando continuamente de um local da rede para o próximo. Isso dá a esses sólidos propriedades semelhantes às dos líquidos.

Representações esquemáticas das partículas formadoras dos aglomerados cristalinos em diferentes concentrações.
[Imagem: Emmanuel Stiakakis et al. - 10.1038/s41467-021-27412-3]

Híbrido de sólido e líquido

Agora, a equipe finalmente conseguiu sintetizar em laboratório um aglomerado cristalino e comprovar essa mescla de propriedades de sólido e de líquido convivendo no mesmo material.

Eles criaram partículas híbridas com uma estrutura semelhante a um pompom. O núcleo dessas partículas é composto de polímeros orgânicos, aos quais as moléculas de DNA estão ligadas e se projetam em todas as direções, como os fios de lã de um pompom.

Esta estrutura permite que as moléculas sejam empurradas para dentro umas das outras e, assim, sejam suficientemente comprimidas. Ao mesmo tempo, a combinação de uma repulsão eletrostática dos componentes de DNA naturalmente carregados, e uma interação fraca dos polímeros no centro das construções, garante a interação geral necessária para dar estabilidade ao aglomerado.

"O DNA é particularmente adequado para as nossas intenções, 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 combinação com núcleos de polímero, a forma e repulsão das partículas híbridas podem ser finamente ajustadas e diferentes variações podem ser produzidas com relativa rapidez," contou Emmanuel Stiakakis, responsável pela síntese dos aglomerados.

Segundo a equipe, esse novo tipo de "matéria mole" pode dar origem a vários tipos de nanoestruturas bem ordenadas com várias propriedades e comportamentos, incluindo cristais birrefringentes, bem como fases hexagonais e estados cineticamente travados semelhantes ao vidro, só que maleáveis.

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