Pirâmide descoberta em gota

A imagem na capa da Physical Review Letters de 17 de Novembro 2006 chamava inegavelmente a  atenção. O que parecia uma jóia, era na verdade uma obra da natureza, observada graças a um microscópio atómico por investigadores britânicos e canadianos.

Estes descobriram que as gotas microscópicas de um plástico de tipo comum (copolímero de dois blocos) derretido assumem a forma regular de um cone sem ponta, cheio de degraus, à medida que vão arrefecendo e solidificando.

Phys. Rev. Lett. 97, 204502 (2006)

Gota de copolímero de dois blocos. A imagem cobre um quadrado de 32 micrómetros (milionésimo de milímetro) de lado.

É surpreedente porque as gotas pequenas de líquidos que geralmente vemos são calotes esféricas. Andrew Croll, Michael Massa e Kari Dalnoki-Veress, da Universidade McMaster, Hamilton, Canadá, juntamente com Mark Matsen, da Universidade de Readings, Readings, Reino Unido, explicam que a forma estranha que encontraram é consequência das propriedades das moléculas do plástico e do tamanho da gota.

“Os padrões ordenados são do tamanho de nanómetros [milhionésimos de milímetro], o que é importante para a tecnologia actual — brevemente os microchips terão componentes deste tamanho”, disseram Andrew Croll e Kari Dalnoki-Veress, em entrevista por e-mail.

Salada

Eles explicam que "um polímero é uma molécula feita de muitas unidades repetidas. Por exemplo, o poliestireno — o polímero usado em copos de plástico espumoso — é feito de muitas unidades de estireno."

"Um copolímero de dois blocos é feito de dois tipos de polímeros. Para nós o importante é que os polímeros diferentes estão ligados entre si."

Na experiência, eles colocaram pequenos pedaços do plástico sobre placas de silício, aqueceram as placas até 180^oC e esperaram umas 100 horas até as amostras resfriarem e se solidificarem de novo.

Quando o copolímero é derretido, as suas moléculas ficam emaranhadas, como macarrão. Ao arrefecer, os dois blocos das moléculas fazem o possível para se separarem. "É como molho de salada, feito de óleo e vinagre que se recusam a se misturar. Os dois blocos querem separar-se, mas como estão ligados entre si, não conseguem."

A distância máxima que eles conseguem afastar-se um do outro é o comprimento deles, que é em torno de 20 nanômetros. É assim que eles produzem na superfície da gota as lâminas circulares empilhadas, vistas pelo microscípio de força atómica (AFM, em inglês).

"Um AFM é semelhante a um gira-discos, com um braço com uma agulha na ponta. Movemos a agulha sobre toda a amostra e, à medida que ela sobe e desce pela acção das forças moleculares, o instrumento desenha uma imagem topográfica da gota".

Andrew Croll e Kari Dalnoki-Veress

a. Uma molécula de copolímero, feita de poliestireno e polimetilmetacrilato, usada na experiência. Atómos de carbono a preto, oxigénio a vermelho e hidrogénio a branco. b. A molécula é tão longa que parece um pedaço de linha. A preto está o bloco A (poliestireno) e a vermelho, o bloco B (polimetilmetacrilato). c. Uma gota depois de derretida fica num estado desordenado. Ao arrefecer, a tendência de A e B para se separarem forma lâminas circulares, uma sobre a outra.

"A nossa pesquisa mostrou que as gotas são feitas de pilhas de discos, que são como bolhas de sabão achatadas. Se duas bolhas de sabão se encostam, a bolha maior cresce à custa da menor, que encolhe. A mesma coisa acontece em nossas gotas — o disco menor, em cima, fornece material para o disco maior, em baixo, e assim por diante. Portanto, esperaríamos que todos os discos acabassem do mesmo tamanho, mas isso não acontece." Porquê?

A equipe de Croll concluiu que quando as extremidades de dois discos, um em cima do outro, estão a ponto de encostar, a tensão superficial maior nessas extremidades as repelem, criando os degraus. Eles confirmaram a idéia com um modelo matemático que prevê como a forma da gota muda quando varia o comprimento dos polímeros.

Lab-on-a-chip

Depois de solidificada, a estrutura da gota dura indefinidamente, podendo ser usada como peça de um aparelho nanoscópico.

Um exemplo é o conceito recente de lab-on-a-chip, um "laboratório" dentro de um microchip. Croll e Dalnoki-Veress explicam que "eles são feitos geralmente de polímeros. Pequenos canais são abertos nos polímeros, por onde passam líquidos que reagem quimicamente". Os degraus rectos da gota podem ajudar os engenheiros a controlar a mistura dos líquidos, que é muito difícil, nessa escala minúscula.

Além de nanocanais, as gotas podem virar nanolentes. "A sua forma diferente desvia a luz diferentemente dos polímeros normais ou dos vidros".

Belos padrões  

Andrew Croll et al.

Outra gota de copolímero com apenas um disco em cima de um "anel de dedos"que tendem a se espalhar pela superfície. Uma imagem ampliada dos "dedos" revela a sua estrura fractal.

Como existem muitas formas de copolímeros, cada uma delas deve originar uma nanoestrutura diferente, com as suas próprias utilidades tecnológicas.

"Nós somos físicos e estamos mais interessados na beleza dos padrões, como eles se formam e como mudam", afirmam Croll e Dalnoki-Veress.

Os investigadores debruçaram-se posteriormente no estudo do chamado "anel de dedos", que se espalha embaixo de todas as gotas de copolímeros que examinaram. Parecem estruturas fractais, como as de flocos de neve.