Formskiftende grupper af nanorods frigiver varme forskelligt

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har afsløret tidligere uobserveret adfærd, der viser, hvordan detaljer om overførsel af varme på nanoskalaen får nanopartikler til at ændre form i ensembler.

De nye resultater skildrer tre forskellige stadier af evolution i grupper af guld nanorods, fra den oprindelige stavform til den mellemliggende form til en kugleformet nanopartikel. Forskningen foreslår nye regler for opførsel af nanorodensembler, giver indsigt i, hvordan man øger varmeoverførselseffektiviteten i et nanoskalasystem.

På nanoskala, individuelle guldnanoroder har unik elektronisk, termiske og optiske egenskaber. Forståelse af disse egenskaber og styring af, hvordan samlinger af disse aflange nanopartikler absorberer og frigiver denne energi som varme, vil drive ny forskning hen imod næste generations teknologier såsom vandrensningssystemer, batterimaterialer og kræftforskning.

Man ved en hel del om, hvordan enkelte nanorods opfører sig - men man ved kun lidt om, hvordan nanorods opfører sig i ensembler af millioner. Forstå hvordan den individuelle adfærd for hver nanorod, herunder hvordan dens orientering og overgangshastighed adskiller sig fra dem omkring den, påvirker ensemblets kollektive kinetik og er afgørende for at bruge nanorods i fremtidige teknologier.

"Vi startede med en masse spørgsmål, "sagde Argonne -fysikeren Yuelin Li, "som 'Hvor meget strøm kan partiklerne opretholde, før de mister funktionalitet? Hvordan påvirker individuelle ændringer på nanoskala den overordnede funktionalitet? Hvor meget varme frigives til det omkringliggende område?' Hver nanorod gennemgår konstant en formændring, når den opvarmes til over smeltetemperatur, hvilket betyder en ændring i overfladearealet og dermed en ændring i dets termiske og hydrodynamiske egenskaber. "

Forskerne brugte en laser til at opvarme nanopartiklerne og røntgenstråler til at analysere deres skiftende former. Generelt, nanorods overgår til nanosfærer hurtigere, når de forsynes med en højere intensitet af laserkraft. I dette tilfælde, helt forskellige ensemble adfærd blev observeret, når denne intensitet steg gradvist. Intensiteten af ​​den påførte varme ændrer ikke kun nanopartiklernes form med forskellige hastigheder, men påvirker også deres evne til effektivt at absorbere og frigive varme.

"For os, Nøglen var at forstå, hvor effektive nanoroderne var til at overføre lys til varme i mange forskellige scenarier, "sagde nanologen Subramanian Sankaranarayanan fra Argonnes Center for Nanoskala Materialer." Derefter måtte vi bestemme fysikken bag, hvordan varme blev overført og alle de forskellige måder, disse nanoroder kunne overgå til nanosfærer på. "

For at observere, hvordan stangen laver denne overgang, forskere skinner først med en laserpuls på nanorod suspenderet i en vandopløsning ved Argonnes Advanced Photon Source. Laseren holder i mindre end hundrede femtosekunder, næsten en billion gange hurtigere end et blink med øjet. Det følgende er en række fokuserede og hurtige røntgenudbrud ved hjælp af en teknik kaldet småvinkel røntgenspredning. De resulterende data bruges til at bestemme partikelens gennemsnitlige form, når den ændres over tid.

På denne måde videnskabsmænd kan rekonstruere de små ændringer, der sker i formen af ​​nanorod. Imidlertid, at forstå fysikken bag dette fænomen, forskerne havde brug for at se dybere på, hvordan individuelle atomer vibrerer og bevæger sig under overgangen. For det, de vendte sig mod feltet molekylær dynamik ved hjælp af supercomputerkraften fra Mira-supercomputeren med 10 petafloper på Argonne Leadership Computing Facility.

Mira brugte matematiske ligninger til at udpege de individuelle bevægelser af næsten to millioner af nanorodernes atomer i vandet. Ved hjælp af faktorer som formen, temperatur og ændringshastighed, forskerne byggede simuleringer af nanorod i mange forskellige scenarier for at se, hvordan strukturen ændrer sig over tid.

"Til sidst, "sagde Sankaranarayanan, "vi opdagede, at varmeoverførselshastighederne for kortere, men bredere nanosfærer er lavere end for deres stavformede forgængere. Dette fald i varmeoverførselseffektiviteten på nanoskalaen spiller en nøglerolle i at accelerere overgangen fra stav til kugle, når den opvarmes ud over smeltetemperaturen. "