Forskere forklarer, hvad der sker, når nanopartikler kolliderer

Hjelme, der gør et bedre stykke arbejde med at forhindre hjernerystelse og andre hjerneskader. Høretelefoner, der beskytter folk mod skadelig støj. Enheder, der omdanner "junk"-energi fra lufthavnsbanevibrationer til brugbar strøm.

Ny forskning om de begivenheder, der opstår, når små pletter af stof kaldet nanopartikler smadre ind i hinanden, kunne en dag informere udviklingen af ​​sådanne teknologier.

Brug af supercomputere, forskere ledet af universitetet i Buffalo modellerede, hvad der sker, når to nanopartikler kolliderer i et vakuum. Holdet kørte simuleringer for nanopartikler med tre forskellige overfladegeometrier:dem, der stort set er cirkulære (med glatte ydre); dem med krystalfacetter; og dem, der har skarpe kanter.

"Vores mål var at opstille de kræfter, der styrer energitransport på nanoskala, " siger studie medforfatter Surajit Sen, PhD, professor i fysik ved UB's College of Arts and Sciences. "Når du har en lille partikel, der er 10, 20 eller 50 atomer på tværs, opfører det sig stadig på samme måde som større partikler, eller korn? Det er indmaden i det spørgsmål, vi stillede."

"Svarets indvolde, Sen tilføjer, "er ja og nej."

"Vores forskning er nyttig, fordi den bygger fundamentet for at designe materialer, der enten transmitterer eller absorberer energi på ønskede måder, " siger førsteforfatter Yoichi Takato, PhD. Takato, en fysiker ved AGC Asahi Glass og tidligere postdoktor ved Okinawa Institute of Science and Technology i Japan, gennemførte en stor del af studiet som ph.d.-kandidat i fysik på UB. "For eksempel, du kan potentielt lave et ultratyndt materiale, der er energiabsorberende. Man kunne forestille sig, at dette ville være praktisk til brug i hjelme og hovedudstyr, der kan hjælpe med at forebygge hoved- og kampskader."

Undersøgelsen blev offentliggjort den 21. marts i Proceedings of the Royal Society A af Takato, Sen og Michael E. Benson, der fuldførte sin del af arbejdet som fysikstuderende på UB. Forskerne kørte deres simuleringer på Center for Computational Research, UB's akademiske supercomputing-facilitet.

Yderligere multimedier er ikke tilgængelige via EurekAlert! kan findes på http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html.

Hvad sker der, når nanopartikler styrter ned

Den nye forskning fokuserede på små nanopartikler - dem med diametre på 5 til 15 nanometer. Forskerne fandt ud af, at i kollisioner, partikler af denne størrelse opfører sig forskelligt afhængigt af deres form.

For eksempel, nanopartikler med krystalfacetter overfører energi godt, når de styrter ind i hinanden, hvilket gør dem til en ideel komponent af materialer designet til at høste energi. Når det kommer til energitransport, disse partikler overholder videnskabelige normer, der styrer makroskopiske lineære systemer – inklusive kæder af lige store masser med fjedre imellem dem – som er synlige for det blotte øje.

I modsætning, nanopartikler, der er rundere i form, med amorfe overflader, overholde ikke-lineære kraftlove. Det her, på tur, betyder, at de kan være særligt nyttige til støddæmpning. Når to sfæriske nanopartikler kolliderer, energi spredes omkring det indledende kontaktpunkt på hver enkelt i stedet for at forplante sig hele vejen gennem begge. Forskerne rapporterer, at ved styrthastigheder på omkring 30 meter i sekundet, atomer inden for hver partikel skifter kun nær det første kontaktpunkt.

Nanopartikler med skarpe kanter er mindre forudsigelige:Ifølge den nye undersøgelse, deres adfærd varierer afhængigt af skarpheden af ​​kanterne, når det kommer til transport af energi.

Design af en ny generation af materialer

"Fra et meget bredt perspektiv, den slags arbejde, vi laver, har meget spændende udsigter, "Sen siger. "Det giver ingeniører grundlæggende information om nanopartikler, som de ikke havde før. Hvis du designer en ny type nanopartikel, du kan nu tænke på at gøre det på en måde, der tager højde for, hvad der sker, når du har meget små nanopartikler, der interagerer med hinanden."

Selvom mange forskere arbejder med nanoteknologi, hvordan de mindste nanopartikler opfører sig, når de styrter ind i hinanden, er stort set et åbent spørgsmål, siger Takato.

"Når du designer et materiale, hvilken størrelse vil du have, at nanopartiklerne skal have? Hvordan vil du lægge partiklerne ud i materialet? Hvor kompakt vil du have den skal være? Vores undersøgelse kan informere om disse beslutninger, " siger Takato.