Formato influencia propriedades de nanomateriais

Pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais desenvolvem método para identificar a forma ideal de uma nanopartícula de modo que apresente uma determinada característica

Elton Alisson, de São Carlos  |  Agência FAPESP – Partículas de prata em escala nanométrica (bilionésima parte do metro) com capacidade bactericida 32 vezes maior do que as obtidas até hoje são algumas das estruturas desenvolvidas nos laboratórios do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) apoiados pela FAPESP, instalado na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). 

Para criar materiais inovadores como esse, os pesquisadores desenvolveram técnica que permite identificar a forma ideal que uma nanopartícula deve ter para apresentar uma determinada característica, e ainda avaliar como métodos químicos – aplicação de solventes, aditivos ou controle de pH (acidez) – e físicos – térmicos, por exemplo – podem modificar a morfologia desses nanomateriais.

Alguns dos resultados de estudos feitos com a nova técnica foram apresentados em palestra na primeira edição do Simpósio de Pesquisa e Inovação em Materiais Funcionais, promovido pelo CDMF nos dias 23 e 24 maio na UFSCar.

“Nosso método permite modelar as diferentes formas que um nanomaterial pode apresentar no desenvolvimento de nanopartículas ou de nanocristrais com propriedades de interesse tecnológico”, disse Juan Manuel Andrés Bort, professor da Universitat Jaume I, da Espanha, e um dos autores da técnica, à Agência FAPESP.

Como explica Bort, o surgimento da nanotecnologia revelou que materiais em escala atômica e molecular apresentam propriedades físicas e químicas diferentes das observadas em tamanho macrométrico. Com isso, foi possível desenvolver estruturas e materiais com melhores propriedades, sejam ópticas, catalíticas, bactericidas ou outras.

Mais recentemente, descobriu-se que não só o tamanho, mas também a morfologia das nanopartículas tem importância primordial, uma vez que a maioria das propriedades físico-químicas é dependente da forma dos materiais.

“Passamos a perceber que a morfologia de um cristal ou de uma partícula em escala nanométrica influencia significativamente o seu uso final na reatividade de catalisadores, na atividade bactericida ou no desempenho de um sensor. Com isso, vimos que é preciso caracterizar e controlar não apenas o tamanho, mas também a forma das nanopartículas”, disse Bort.

Para calcular as possíveis morfologias de uma nanopartícula ou de um nanocristal e prever a forma ideal, de modo que apresentem as características desejadas, os pesquisadores têm se baseado em uma abordagem proposta para materiais em escala macrométrica pelo cristalógrafo russo George Wulff (1863-1925), em 1901.

De acordo com a equação matemática que ficou conhecida como “construção de Wulff”, a morfologia de um cristal pode ser prevista pela energia das diferentes superfícies ou faces do material.

Ao aplicar essa abordagem à nanociência e combiná-la com ferramentas de modelagem e de simulação computacional, os pesquisadores ligados ao CDMF desenvolveram um método mais simples de prever a forma de nanopartículas com as propriedades desejadas em razão das energias superficiais do material.

“Conseguimos calcular quanticamente as morfologias de nanomateriais e, dessa forma, desenvolver um ‘mapa’ das formas que as nanopartículas devem ter para apresentar uma propriedade de interesse”, disse Bort.

Por meio desse “mapa” de possíveis formas de um nanomaterial e com o uso de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução – que permite estudar microestruturas em escala atômica –, foi desenvolvida uma série de novos materiais nos últimos anos. Entre eles estão nanocristais de tungstato de zinco (ZnWO₄) e de tungstato de prata (α-Ag₂WO₄) com propriedades fotoluminescente e fotocatalítica mais elevadas.

“O método que desenvolvemos permite entender a evolução das propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas ao longo de mudanças contínuas na superfície de nanopartículas com precisão, átomo por átomo”, disse Bort.

Trabalho premiado

A pós-doutoranda Amanda Fernandes Gouveia, que fez doutorado na UFSCar com Bolsa da FAPESP, usou o novo método para avaliar a influência da adição de reagentes e da utilização de diferentes temperaturas sobre as propriedades fotocatalíticas de tungstatos de prata e de zinco.

As análises indicaram que, no caso do tungstato de zinco, por exemplo, as amostras obtidas em diferentes temperaturas apresentavam atividades fotocatalíticas variadas, apesar de terem as mesmas características.

“Experimentalmente, não era possível descrever essas superfícies, dizer quais átomos, quais clusters estavam presentes. A modelagem tornou possível essa descrição, relacionando assim as diferentes temperaturas e as superfícies resultantes à atividade catalítica encontrada”, disse Gouveia.

O estudo foi apresentado na Nano-Micro Conference Innovation Award 2018, em dezembro na Coreia do Sul, tendo recebido o prêmio de trabalho mais inovador.

A conferência reuniu pesquisadores, executivos e outros líderes de projetos na área em todo o mundo, para discutir novos desenvolvimentos e pesquisas de fronteira no campo multidisciplinar da Nano-Micro Ciência e Engenharia.