03/03/2022 - 7:55
Tão duros quanto o diamante e flexíveis como o plástico, os altamente procurados nanofios de diamante estariam prontos para revolucionar nosso mundo – se não fossem tão difíceis de fabricar. Isso, porém, pode estar mudando. Recentemente, uma equipe de cientistas liderada por Samuel Dunning e Timothy Strobel, do Instituto Carnegie para Ciência (EUA), desenvolveu uma técnica original que prevê e orienta a criação ordenada de nanofios de diamante fortes, porém flexíveis, superando vários desafios existentes. A inovação tornará mais fácil para os cientistas sintetizar os nanofios – um passo importante para aplicar o material a problemas práticos no futuro
O trabalho foi publicado recentemente na revista Journal of the American Chemical Society.
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Os nanofios de diamante são cadeias de carbono unidimensionais ultrafinas, dezenas de milhares de vezes mais finas que um fio de cabelo humano. Eles geralmente são criados comprimindo anéis menores à base de carbono para formar o mesmo tipo de ligação que torna os diamantes o mineral mais duro do nosso planeta.
No entanto, em vez da estrutura de carbono 3D encontrada em um diamante normal, as bordas desses fios são “encapadas” com ligações carbono-hidrogênio, que tornam toda a estrutura flexível.
Propriedades únicas
“Como os nanofios só têm essas ligações em uma direção, eles podem dobrar e flexionar de maneiras que os diamantes normais não podem”, explicou Dunning.
Os cientistas preveem que as propriedades únicas dos nanofios de carbono terão uma gama de aplicações úteis, desde o fornecimento de andaimes de ficção científica em elevadores espaciais até a criação de tecidos ultrarresistentes. No entanto, os cientistas tinham dificuldade em criar material de nanofio suficiente para realmente testar seus superpoderes propostos.
“Se queremos projetar materiais para aplicações específicas”, afirmou Dunning, “é essencial que entendamos com precisão a estrutura e a ligação dos nanofios que estamos fabricando. Esse método de direcionamento de fios realmente nos permite fazer isso.”
Um dos maiores desafios é fazer com que os átomos de carbono reajam de maneira previsível. Em nanofios feitos de benzeno e outros anéis de seis átomos, cada átomo de carbono pode sofrer reações químicas com diferentes vizinhos. Isso leva a muitas reações possíveis competindo umas com as outras e muitas configurações diferentes de nanofios. Essa incerteza é um dos maiores obstáculos que os cientistas enfrentam para sintetizar nanofios onde a estrutura química definida pode ser determinada.
Trabalho com piridazina
A equipe de Dunning determinou que adicionar nitrogênio ao anel no lugar do carbono pode ajudar a guiar a reação por um caminho previsível. Eles escolheram começar seu trabalho com piridazina – um anel de seis átomos composto de quatro carbonos e dois nitrogênios – e começaram a trabalhar em um modelo de computador. Dunning trabalhou com Bo Chen, do Centro Internacional de Física de Donostia (Espanha), e Li Zhu, professor assistente da Universidade Rutgers (EUA) e ex-aluno do Instituto Carnegie, para simular como as moléculas de piridazina se comportam em alta pressão .
“Em nosso sistema, usamos dois átomos de nitrogênio para remover dois possíveis locais de reação do sistema de anéis. Isso reduz drasticamente o número de reações possíveis”, disse Dunning.
Depois de fazerem várias simulações de computador mostrando a formação bem-sucedida de nanofios em alta pressão, eles estavam prontos para levar o experimento ao laboratório.
A equipe pegou uma gota de piridazina e a carregou em uma célula de bigorna de diamante – um dispositivo que permite aos cientistas produzir pressões extremas comprimindo amostras entre as pequenas pontas de diamantes mais tradicionais. Usando espectroscopia de infravermelho e difração de raios X, eles monitoraram mudanças na estrutura química da piridazina até cerca de 300 mil vezes a pressão atmosférica normal, procurando a criação de novas ligações.
Tempo economizado
Quando viram as ligações se formando, perceberam que haviam previsto com sucesso e criaram o primeiro nanofio de diamante de piridazina no laboratório.
“Nossa via de reação produz um nanofio incrivelmente ordenado”, disse Dunning. “A capacidade de incorporar outros átomos na espinha dorsal do nanofio, guiar a reação e entender o ambiente químico do nanofio economizará aos pesquisadores um tempo inestimável no desenvolvimento da tecnologia desses nanofios.”
Esse processo para guiar a formação de nanofios, que Dunning chama de “direcionamento de fios”, é um passo significativo em direção a um futuro em que os cientistas possam criar esses materiais de forma previsível e usá-los para aplicações avançadas. Agora que essa estratégia sintética foi descoberta, Dunning planeja identificar e testar os muitos possíveis precursores de nanofios. Ele também mal pode esperar para começar a testar os nanofios de piridazina.
Dunning concluiu: “Agora que sabemos que podemos fazer esse material, precisamos começar a fazer (em quantidade) suficiente para poder determinar suas propriedades mecânicas, ópticas e eletrônicas”.
