Nanoskopiske partikler modstår fuld indkapsling, viser simuleringer

(PhysOrg.com) -- Det kan virke indlysende, at neddykning af relativt sfæriske genstande i en sauce - blåbær i smeltet chokolade, sige - vil resultere i en række fuldstændigt indkapslede bær.

Med udgangspunkt i det koncept, fabrikanter af sfæriske nanopartikler har på samme måde lagt deres varer i beskyttende belægninger i den tro, at sådanne indkapslinger ville forhindre sammenklumpning og uønskede kemiske interaktioner med opløsningsmidler.

Desværre, reaktioner i nanoverdenen er ikke logiske forlængelser af makroverdenen, Sandia National Laboratories forskere Matthew Lane og Gary Grest har fundet.

I en forsideartikel sidste sommer i Fysiske anmeldelsesbreve , forskerne bruger simuleringer af molekylær dynamik til at vise, at simple belægninger ikke er i stand til fuldt ud at dække hver sfærisk nanopartikel i et sæt.

I stedet, fordi diameteren af ​​en partikel kan være mindre end tykkelsen af ​​belægningen, der beskytter den, krumningen af ​​partikeloverfladen, når den hurtigt falder væk fra dens vedhæftede belægning, fremkalder dannelsen af ​​en række lameller i stedet for en solid beskyttelsesvæg (se illustration).

"Vi har vidst i nogen tid nu, at nanopartikler er specielle, og at 'lille er anderledes' " sagde Lane. "Det, vi har vist, er, at denne generelle regel for nanoteknologi gælder for, hvordan vi belægger partikler, også."

Carlos Gutierrez, leder af Sandias afdeling for overflade- og grænsefladevidenskab, sagde, "Det er velkendt, at aggregering af nanopartikler i suspension i øjeblikket er en hindring for deres kommercielle og industrielle brug. Simuleringerne viser, at selv belægninger, der er fuldt og ensartet påført på sfæriske nanopartikler, er betydeligt forvrænget ved vand-damp-grænsefladen."

sagde Grest, "Du ønsker ikke aggregering, fordi du ønsker, at partiklerne skal forblive fordelt i hele produktet for at opnå ensartethed. Hvis du har partikler af, sige, mikron størrelse, du skal overtrække eller elektrisk oplade dem, så partiklerne ikke klæber sammen. Men når partiklerne bliver små, og belægningerne bliver sammenlignelige i størrelse med partiklerne, de former, de danner, er asymmetriske snarere end sfæriske. Kugleformede partikler holder afstand; asymmetriske partikler kan klæbe til hinanden."

Simuleringens fund er ikke nødvendigvis en dårlig ting, af denne grund:Selvom hver partikel er belagt asymmetrisk, asymmetrien er konsistent for et givet sæt. Sagt på en anden måde, alle coatede nanoskopiske sæt er asymmetriske på hver deres måde.

En forudsigelig, identiske variationer, der forekommer i hvert medlem af et nanosæt, kan åbne døre til nye applikationer.

"Det, vi har gjort her, er at sætte et stort "blindgyde"-skilt op for at forhindre forskere i at spilde tid på at gå den forkerte vej, " sagde Lane. "Forøgelse af overfladedensiteten af ​​belægningen eller dens molekylære kædelængde vil ikke forbedre plettede belægninger, som for større partikler. Men der er adskillige andre mulige veje til nye resultater, når du kan kontrollere formen på aggregeringen."