Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

No mundo das minúsculas partículas suspensas em líquido, conhecidas como coloides, a maneira como as coisas se unem depende fortemente de sua forma e de onde são pegajosas. Imagine uma multidão de pessoas tentando formar uma fila; se todos forem perfeitamente redondos e igualmente amigáveis com todos os outros, eles se agruparão naturalmente o mais apertado possível, sem deixar lacunas. No entanto, se você der a essas pessoas uma regra específica — digamos, que elas só podem dar as mãos para duas pessoas específicas posicionadas em lados opostos delas, e que têm o formato de ovais longos em vez de círculos — o resultado é inteiramente diferente. Em vez de um bloco sólido e compacto, elas são forçadas a se organizar em redes abertas e porosas com buracos no meio. Cientistas há muito se interessam por essas estruturas abertas porque suas formas únicas podem controlar como a luz passa por elas ou como os fluidos se movem através delas, propriedades que são vitais para a criação de materiais avançados. Um exemplo famoso de tal estrutura é a rede kagome, um padrão que se assemelha a um cesto tecido, sendo altamente ordenado, porém repleto de espaços vazios.

Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena exploraram recentemente como a mudança na forma dessas partículas pegajosas, de esferas para elipses alongadas, altera a maneira como elas constroem essas redes. Eles utilizaram simulações computacionais para observar milhares dessas partículas ovais, cada uma com dois pontos pegajosos nas extremidades opostas, enquanto se montavam sob diferentes condições de temperatura e concentração. O objetivo deles era ver se a mudança de forma simplesmente faria os mesmos padrões aparecerem de maneira diferente, ou se mudaria fundamentalmente as regras de como as partículas se encontram e se travam no lugar. Eles descobriram que, embora as partículas ainda formassem a bela e ordenada rede kagome, o caminho que percorreram para chegar lá foi surpreendentemente direto. Diferente de suas contrapartes arredondadas, que tipicamente constroem cadeias longas primeiro e depois as reorganizam no padrão final, essas partículas ovais saltaram diretamente para a estrutura acabada.

A equipe observou que, ao ajustar a temperatura e a densidade das partículas, eles podiam sintonizar o sistema para ser ou um cristal perfeitamente ordenado ou uma rede desordenada e caótica. Quando as condições eram ideais, as partículas formavam uma grade regular onde cada buraco era um loop perfeito de seis partículas. À medida que tornavam o ambiente mais lotado ou frio, essa ordem começava a se quebrar. Os loops perfeitos começavam a se distorcer, criando buracos com cinco ou sete lados e, eventualmente, a rede tornava-se uma mistura caótica de diferentes formas. Para entender esse caos, os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de mapear as conexões. Em vez de apenas contar quantas partículas estavam se tocando, eles rastrearam exatamente quais pontos pegajosos estavam conectados. Isso permitiu que vissem que as partículas ovais possuíam uma flexibilidade única; elas podiam dobrar suas conexões mais facilmente do que as partículas redondas, o que parecia ajudá-las a pular a etapa intermediária de formação de cadeias e ir direto para a construção da rede complexa.

O estudo também revelou que a maneira como essas redes se desfazem não é aleatória. À medida que a ordem desaparece, os buracos na rede não apenas aumentam de tamanho; eles mudam de caráter. Os pesquisadores descobriram que a rede desenvolveu uma preferência por buracos de cinco lados sobre os de sete lados, um desequilíbrio específico que já havia sido visto em outros tipos de partículas pegajosas, mas que agora era confirmado nestas formas ovais. Essa mudança sugere que o formato oval torna mais fácil para as partículas formarem certos tipos de defeitos, ao mesmo tempo em que torna outros mais difíceis de alcançar. A equipe também detectou algumas estruturas estranhas, semelhantes a escadas, formando-se nas regiões desordenadas, que podem estar competindo com o padrão kagome pela dominância, embora ainda não pudessem provar qual estrutura seria mais estável.

Talvez a descoberta mais significativa tenha sido como as partículas se montaram do zero. Em simulações de partículas redondas, cientistas haviam observado anteriormente um processo de duas etapas: as partículas primeiro se agrupavam em cadeias longas e filamentosas, e só mais tarde essas cadeias se desenredavam e se reorganizavam na rede final. As partículas ovais, no entanto, não fizeram isso. Quando os pesquisadores baixaram a temperatura para desencadear a montagem, as partículas formaram os loops ordenados imediatamente, sem jamais passar por uma fase de cadeias longas. Isso sugere que o formato alongado das partículas proporciona um tipo diferente de liberdade, permitindo que encontrem suas posições corretas na rede de forma muito mais direta. Os pesquisadores notaram que, em temperaturas mais baixas, os núcleos dessas novas estruturas tornavam-se mais rugosos e ramificados, preenchidos com mais defeitos de cinco lados, indicando que a velocidade de montagem veio ao custo de uma perfeição suave.

Este trabalho fornece um exemplo claro de como uma simples mudança na geometria — esticar uma esfera para transformá-la em uma elipse — pode reescrever as regras da auto-montagem. Mostra que o caminho que um material percorre para se formar é tão importante quanto a forma final em que termina. Ao introduzir um novo método para mapear as conexões entre os pontos pegajosos, os pesquisadores deram a si mesmos uma ferramenta poderosa para olhar dentro dessas redes, distinguindo entre ligações simples e loops complexos que eram anteriormente invisíveis para a análise padrão. Embora o estudo tenha sido conduzido inteiramente por meio de simulações computacionais, as descobertas oferecem uma hipótese convincente de como a forma influencia a formação de materiais complexos. Os resultados sugerem que, ao projetar partículas com formatos e pontos pegajosos específicos, os cientistas podem guiar a formação de materiais com porosidade e ordem precisamente controladas, abrindo novas portas para a engenharia de materiais que podem filtrar, detectar ou conduzir luz de maneiras que são atualmente impossíveis.