{"id":7718,"date":"2019-05-31T15:05:09","date_gmt":"2019-05-31T18:05:09","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/?p=7718"},"modified":"2019-06-06T17:11:09","modified_gmt":"2019-06-06T20:11:09","slug":"artigo-em-destaque-desvendando-a-desordem-estrutural-de-nanomateriais","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/artigo-em-destaque-desvendando-a-desordem-estrutural-de-nanomateriais\/","title":{"rendered":"Artigo em destaque: Desvendando a desordem estrutural de nanomateriais."},"content":{"rendered":"

O artigo cient\u00edfico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas \u00e9:\u00a0Decreasing Nanocrystal Structural Disorder by Ligand Exchange: An Experimental and Theoretical Analysis<\/em>. Gabriel R. Schleder, Gustavo M. Azevedo, I\u00e7amira C. Nogueira, Querem H. F. Rebelo, Jefferson Bettini, Adalberto Fazzio, Edson R. Leite. J. Phys. Chem. Lett. 2019 10<\/strong> 1471-1476. https:\/\/doi.org\/10.1021\/acs.jpclett.9b00439<\/p>\n

Desvendando a desordem estrutural de nanomateriais<\/strong><\/p>\n

Sabe-se que \u00e9 muito importante conhecer e controlar a estrutura de um material (ou seja, a forma como seus \u00e1tomos se organizam tridimensionalmente no espa\u00e7o) porque ela \u00e9, em grande parte, respons\u00e1vel pelas propriedades do material e, portanto, pelas suas aplica\u00e7\u00f5es. Um exemplo: regi\u00f5es de desordem em materiais cristalinos (cujos \u00e1tomos, idealmente, est\u00e3o ordenados em padr\u00f5es regulares) mudam alguns dos comportamentos esperados para esses materiais. Infelizmente, conhecer em detalhe a estrutura de alguns materiais pode ser uma tarefa dif\u00edcil. Principalmente quando se trata de nanomateriais.<\/p>\n

Reunindo diversas compet\u00eancias e recursos experimentais e te\u00f3ricos, uma equipe brasileira desenvolveu um m\u00e9todo que permite estabelecer o grau e a localiza\u00e7\u00e3o de desordem na estrutura de nanomateriais cristalinos e n\u00e3o cristalinos, interfaces e superf\u00edcies. O m\u00e9todo, baseado na combina\u00e7\u00e3o de uma t\u00e9cnica experimental (microscopia eletr\u00f4nica de transmiss\u00e3o), uma t\u00e9cnica de an\u00e1lise de dados (pair distribution function<\/em>) e simula\u00e7\u00f5es computacionais, j\u00e1 est\u00e1 dispon\u00edvel para uso da comunidade cient\u00edfica no Laborat\u00f3rio Nacional de Nanotecnologia (LNNano), e dever\u00e1 ajudar a desenvolver materiais que desempenhem melhor suas fun\u00e7\u00f5es.<\/p>\n

Al\u00e9m de desenvolver a t\u00e9cnica, a equipe a aplicou inicialmente no estudo da desordem estrutural de nanocristais, elementos b\u00e1sicos da nanotecnologia, presentes, por exemplo, em c\u00e9lulas solares e dispositivos eletr\u00f4nicos. Apesar de terem, por defini\u00e7\u00e3o, estruturas ordenadas, esses cristais de dimens\u00e3o nanom\u00e9trica podem apresentar, na pr\u00e1tica, regi\u00f5es com desordem estrutural.<\/p>\n

Para realizar o estudo, os cientistas produziram nanocristais facetados, de cerca de 3,2 nm de di\u00e2metro, formados por um n\u00facleo de di\u00f3xido de zirc\u00f4nio (ZrO2), material inorg\u00e2nico, e por uma casca composta por subst\u00e2ncias org\u00e2nicas conhecidas como ligantes. Os ligantes, cujos \u00e1tomos estabelecem liga\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas com os \u00e1tomos que est\u00e3o na superf\u00edcie do n\u00facleo inorg\u00e2nico, t\u00eam a importante fun\u00e7\u00e3o de estabilizar os nanocristais e evitar que se aglomerem.<\/p>\n

A equipe produziu uma primeira s\u00e9rie de nanopart\u00edculas com ligantes contendo um anel arom\u00e1tico e a analisou usando o m\u00e9todo desenvolvido. Depois, as amostras foram submetidas a um processo conhecido como troca de ligantes, no qual rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas acontecem no material na presen\u00e7a de um solvente a uma temperatura superior \u00e0 da sua ebuli\u00e7\u00e3o. Nessas rea\u00e7\u00f5es, algumas liga\u00e7\u00f5es se quebram e novas liga\u00e7\u00f5es ocorrem. Como resultado da troca de ligantes, a equipe conseguiu produzir nanopart\u00edculas com cascas contendo \u00e1cido oleico, as quais tamb\u00e9m foram analisadas usando o m\u00e9todo desenvolvido.<\/p>\n

\"Esta
Esta figura se refere a um nanocristal de ZrO2 antes e depois da troca de ligante. A figura inclui imagens de microscopia eletr\u00f4nica de transmiss\u00e3o de alta resolu\u00e7\u00e3o, modelos estruturais e padr\u00f5es de PDF obtidos pelo m\u00e9todo desenvolvido.<\/figcaption><\/figure>\n

Os cientistas conclu\u00edram que, diferentemente do nanocristal ideal de di\u00f3xido de zirc\u00f4nio, os dois tipos de nanocristais analisados apresentavam um certo grau de desordem estrutural localizado na superf\u00edcie do n\u00facleo. Al\u00e9m disso, no segundo grupo de nanopart\u00edculas, a desordem era significativamente menor. Os pesquisadores interpretaram que essa redu\u00e7\u00e3o se devia \u00e0 alta temperatura do processo de troca de ligantes, que alterava as tens\u00f5es da rede de \u00e1tomos.<\/p>\n

\u201cEm nosso trabalho conseguimos avaliar diretamente o grau e localiza\u00e7\u00e3o da desordem em nanocristais, o que at\u00e9 ent\u00e3o era tecnicamente invi\u00e1vel\u201d, diz Gabriel Schleder<\/a>, doutorando no Programa de P\u00f3s-Gradua\u00e7\u00e3o em Nanoci\u00eancias e Materiais Avan\u00e7ados da Universidade Federal do ABC (UFABC).<\/p>\n

Ao compreender melhor a desordem estrutural e suas causas, os pesquisadores puderam apontar um caminho para controla-la. \u201cQualquer propriedade que dependa sensivelmente da desordem estrutural localizada na superf\u00edcie poderia ser, em princ\u00edpio, controlada por esse tipo de processo de troca de ligantes\u201d, diz Schleder. \u201cPropriedades mec\u00e2nicas, fotoluminesc\u00eancia, transporte eletr\u00f4nico e propriedades catal\u00edticas s\u00e3o algumas delas\u201d, completa.<\/p>\n

A pesquisa foi reportada em artigo recentemente publicado em The Journal of Physical Chemistry Letters<\/em> (fator de impacto= 8,709).<\/p>\n

Desafio superado por meio de colabora\u00e7\u00f5es<\/strong><\/p>\n

A ideia inicial do trabalho surgiu em uma reuni\u00e3o realizada no final de 2017 no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), localizado na cidade paulista de Campinas. Na reuni\u00e3o, discutiu-se a implementa\u00e7\u00e3o no Sirius<\/a>\u00a0(pr\u00f3xima fonte de luz s\u00edncrotron brasileira) de uma t\u00e9cnica que permitisse analisar localmente quest\u00f5es estruturais tais como desordem e defeitos. Chamada de \u201cpair distribution function<\/em>\u201d (PDF), a t\u00e9cnica escolhida descreve as dist\u00e2ncias entre pares de \u00e1tomos por meio de uma fun\u00e7\u00e3o matem\u00e1tica. Para aplicar essa t\u00e9cnica, o especialista geralmente utiliza os resultados de medidas de difra\u00e7\u00e3o de raios X – t\u00e9cnica experimental que traz informa\u00e7\u00f5es sobre a estrutura dos materiais. S\u00f3 que, para poder implementar a an\u00e1lise por PDF, o feixe de raios X incidido na amostra deve ser de energia muito alta – mais alta do que a proporcionada pela atual fonte de luz s\u00edncrotron brasileira.<\/p>\n

Naquela reuni\u00e3o no CNPEM, o professor Gustavo de Medeiros Azevedo<\/a>, pesquisador do Laborat\u00f3rio Nacional de Luz S\u00edncrotron (LNLS), e o professor Edson Leite<\/a>, diretor cient\u00edfico do LNNano, decidiram, ent\u00e3o, come\u00e7ar a aplicar PDF usando resultados de difra\u00e7\u00e3o de el\u00e9trons, especialidade do pesquisador do LNNano Jefferson Bettini<\/a>. Os feixes de el\u00e9trons seriam gerados pelo microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico de transmiss\u00e3o do LNNano. De fato, esse instrumento possibilita o controle do feixe de el\u00e9trons de modo que incida em uma diminuta \u00e1rea da amostra, permitindo a desejada an\u00e1lise local da estrutura. Por outro lado, ao alternar entre o \u201cmodo imagem\u201d e o \u201cmodo difra\u00e7\u00e3o\u201d do microsc\u00f3pio, seria poss\u00edvel escolher com precis\u00e3o a \u00e1rea da amostra a ser analisada.<\/p>\n

\"Simula\u00e7\u00e3o
Simula\u00e7\u00e3o de um nanocristal “ideal” de ZrO2.<\/figcaption><\/figure>\n

A equipe de trabalho envolveu tamb\u00e9m as professoras I\u00e7amira Costa Nogueira<\/a>, da Universidade Federal do Amazonas (UFAM) e Querem Hapuque Felix Rebelo<\/a>, da Universidade Federal do Oeste do Par\u00e1 (UFOPA), que contribu\u00edram com a s\u00edntese dos nanocristais que seriam estudados e no desenvolvimento da metodologia de an\u00e1lise.<\/p>\n

No desenvolvimento da t\u00e9cnica, mais um desafio precisou ser enfrentado. Para interpretar os resultados de PDF, seria necess\u00e1rio contar com a simula\u00e7\u00e3o de um nanocristal ideal – um modelo de nanocristal sem desorganiza\u00e7\u00e3o estrutural que pudesse ser usado como refer\u00eancia. Novas compet\u00eancias foram ent\u00e3o incorporadas \u00e0 equipe, que passou a contar com o professor Adalberto Fazzio<\/a>, diretor geral do LNNano e l\u00edder de um grupo de pesquisa da UFABC dedicado a t\u00e9cnicas computacionais aplicadas a materiais, e seu estudante de doutorado Gabriel Schleder. Baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), m\u00e9todo de modelagem computacional do \u00e2mbito da F\u00edsica Qu\u00e2ntica, os pesquisadores conseguiram simular o nanocristal ideal que serviu de modelo para a an\u00e1lise.<\/p>\n

\u201cAlgo muito positivo que percebemos \u00e9 que os principais resultados surgiram do processo de intera\u00e7\u00e3o, discuss\u00e3o e troca de informa\u00e7\u00f5es principalmente entre teoria\/simula\u00e7\u00e3o computacional e experimentos. Sem isso, certamente n\u00e3o ter\u00edamos boas conclus\u00f5es finais\u201d, diz Schleder.<\/p>\n

\"Autores<\/a>
Autores do artigo. A partir da esquerda: Gabriel R. Schleder, Gustavo M. Azevedo, I\u00e7amira C. Nogueira, Querem H. F. Rebelo, Jefferson Bettini, Adalberto Fazzio e Edson R. Leite.<\/figcaption><\/figure>\n

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