Simulering af det usynlige

Panagiotis Grammatikopoulos i OIST Nanoparticles by Design Unit simulerer interaktionen mellem partikler, der er for små til at se, og for kompliceret at visualisere. For at studere partiklernes adfærd, han bruger en teknik kaldet molekylær dynamik. Det betyder, at hver trilliontedel af et sekund, han beregner hvert enkelt atoms placering i partiklen ud fra, hvor det er, og hvilke kræfter der gør sig gældende. Han bruger et computerprogram til at foretage beregningerne, og animerer derefter atomernes bevægelse ved hjælp af visualiseringssoftware. Den resulterende animation belyser, hvad der sker, atom for atom, når to nanopartikler støder sammen.

Grammatikopoulos kalder dette et virtuelt eksperiment. Han ved, hvordan atomerne i hans start-nanopartikler ser ud. Han ved, at deres bevægelse følger lovene i Newtons fysik. Hans kolleger har set, hvordan de resulterende partikler ser ud efter kollisionsforsøg. Når hans simulering er færdig, Grammatikopoulos sammenligner sine slutprodukter med sine kolleger for at kontrollere hans nøjagtighed.

Grammatikopoulos senest simulerede hvordan palladium nanopartikler interagerer, udgivet i Videnskabelige rapporter den 22. juli, 2014. Palladium er en dyr, men yderst effektiv katalysator, der sænker den energi, der kræves for at starte mange kemiske reaktioner. Forskere kan gøre palladium endnu mere effektivt ved at designe palladium -nanopartikler, som bruger den samme masse palladium i mindre stykker, stigende overfladeareal. Jo mere overfladeareal en katalysator har, jo mere effektivt er det, fordi der er mere aktive steder, hvor elementer kan mødes og reaktioner kan forekomme.

Imidlertid, krympning af et materiale til kun et par nanometer kan ændre nogle af egenskaberne af dette materiale. For eksempel, alle nanopartikler smelter ved køligere temperaturer, end de normalt ville som ændrer, hvad der sker, når to partikler kolliderer. Normalt, to partikler vil støde sammen og frigive en lille mængde varme, men partiklerne forbliver mere eller mindre de samme. Men når to nanopartikler støder sammen, nogle gange smelter den frigivne varme overfladen af ​​de to partikler, og de smelter sammen.

Grammatikopoulos simulerede palladium -nanopartikler, der kolliderede og smeltede ved forskellige temperaturer. Han fastslog, at hver gang partiklerne smeltede sammen, deres atomer ville begynde at krystallisere til ordnede rækker og planer. Ved højere temperaturer, partiklerne smelter sammen til én homogen struktur. Ved lavere temperaturer, produkterne ligner klassiske snemænd, med et par dele, der havde krystalliseret med forskellige orienteringer.

"Simuleringen giver dig en forståelse af fysiske processer, " sagde Grammatikopoulos. Før hans forskning, Grammatikopoulos kunne ikke forklare, hvorfor alle palladium -nanopartikler, hans laboratorium skabte, havde en krystallinsk struktur. Desuden, han bemærkede, at mange palladium -nanopartikler voksede fremspring, giver partiklerne en klumpet form. "Da fremspringene stikker ud, de binder sig lettere til andre molekyler, "Forklarede Grammatikopoulos." Jeg er endnu ikke sikker på, om det er gavnligt, men det påvirker bestemt de katalytiske egenskaber. "

Denne undersøgelse fastlægger nogle grundregler og forklarer visse egenskaber ved palladium -nanopartikler. At forstå disse egenskaber kan hjælpe med at designe andre nanopartikler ud af andre materialer, der kan konkurrere med palladiums evner som katalysator. Palladium spiller en rolle i tusinder af vigtige reaktioner, fra at lave medicin til at skabe nye biobrændstoffer. For eksempel, Prof. Mukhles Sowwans Nanoparticles by Design Unit og Prof. Igor Goryanins Biological Systems Unit på OIST arbejder med palladiumkatalyserede reaktioner for at forbedre effektiviteten af ​​mikrobielle brændselsceller. Bedre palladium -nanopartikler vil drive denne forskning fremad.

"Vi skal forstå den grundlæggende videnskab, " forklarede Sowwan, hvem er Grammatikopoulos 'rådgiver. Sowwan siger, at området for nanovidenskab kun begynder at bevæge sig i retning af at anvende forskningen, fordi der stadig er så meget at lære om nanopartiklernes egenskaber. "Hvis du bygger noget uden at forstå det grundlæggende, "Sowwan sagde, "Du vil ikke være i stand til at forklare resultaterne."