Forudsigelse af kræfter mellem mærkeligt formede nanopartikler

Materialeforskere ved Duke University har udtænkt en forenklet metode til at beregne de tiltrækningskræfter, der får nanopartikler til selv at samle sig til større strukturer.

Med denne nye model, ledsaget af en grafisk brugergrænseflade, der demonstrerer sin kraft, forskere vil være i stand til at komme med tidligere umulige forudsigelser om, hvordan nanopartikler med en lang række forskellige former vil interagere med hinanden. Den nye metode giver muligheder for rationelt at designe sådanne partikler til en bred vifte af applikationer fra at udnytte solenergi til at drive katalytiske reaktioner.

Resultaterne vises online den 12. november i tidsskriftet Nanoskala horisonter.

"Faceterede nanopartikler kan føre til ny samlingsadfærd, som ikke er blevet udforsket tidligere, " sagde Brian Hyun-jong Lee, en kandidatstuderende i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke og førsteforfatter af papiret. "Kuber, prismer, stænger og så videre udviser alle distinkte afstands- og orienteringsafhængige interpartikelinteraktioner, der kan bruges til at skabe unikke partikelsamlinger, som man ikke kan opnå gennem selvsamling af sfæriske partikler."

"Hver gang jeg gennemgår det seneste sæt publicerede artikler inden for nanoteknologi, Jeg ser en ny anvendelse af disse typer nanopartikler, " tilføjede Gaurav Arya, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Men nøjagtigt at beregne de kræfter, der trækker disse partikler sammen på meget tæt afstand, er ekstremt beregningsmæssigt dyrt. Vi har nu demonstreret en tilgang, der fremskynder disse beregninger millioner af gange, mens den kun mister en lille mængde nøjagtighed."

De kræfter, der virker mellem nanopartikler, kaldes van der Waals-kræfter. Disse kræfter opstår på grund af små, midlertidige skift i tætheden af ​​elektroner, der kredser om atomer i henhold til kvantefysikkens komplekse love. Mens disse kræfter er svagere end andre intermolekylære interaktioner såsom coulombiske kræfter og hydrogenbindinger, de er allestedsnærværende og virker mellem hvert atom, dominerer ofte nettointeraktionen mellem partikler.

For korrekt at tage højde for sådanne kræfter mellem partikler, man skal beregne den van der Waals-kraft, som hvert atom i partiklen udøver på hvert atom i en nærliggende partikel. Selv hvis begge de pågældende partikler var små terninger af størrelser mindre end 10 nanometer, antallet af beregninger, der summerer alle sådanne interatomiske interaktioner, vil være i titusinder af millioner.

Det er let at se, hvorfor det hurtigt bliver umuligt at prøve at gøre dette igen og igen for tusindvis af partikler placeret på forskellige positioner og i forskellige orienteringer i en multipartikelsimulering.

"Der er blevet gjort en masse arbejde for at formulere en summering, der kommer tæt på en analytisk løsning, " sagde Arya. "Nogle tilgange behandler partikler som opbygget af uendeligt små terninger klistret sammen. Andre forsøger at fylde rummet med uendeligt tynde cirkulære ringe. Mens disse volumen-diskretiseringsstrategier har gjort det muligt for forskere at opnå analytiske løsninger til interaktioner mellem simple partikelgeometrier som parallelle flade overflader eller sfæriske partikler, sådanne strategier kan ikke bruges til at forenkle interaktionerne mellem facetterede partikler på grund af deres mere komplekse geometrier."

For at omgå dette problem, Lee og Arya tog en anden tilgang ved at lave flere forenklinger. Det første trin involverer at repræsentere partiklen som værende opbygget ikke af kubiske elementer, men af ​​stavformede elementer af forskellig længde stablet sammen. Modellen antager så, at stænger, hvis projektioner falder uden for den projicerede grænse for den anden partikel, bidrager ubetydeligt til den samlede interaktionsenergi.

Energierne, som de resterende stænger bidrager med, antages endvidere at svare til energierne af stænger med ensartede længder, der er placeret i samme normale afstand som de faktiske stænger, men med nul sideforskydning. Det sidste trick er at tilnærme afstandsafhængigheden af ​​stav-partikel-energien ved hjælp af power-lov-funktioner, der har lukket-form løsninger, når afstande varierer lineært med den laterale position af de faktiske stænger, som det er tilfældet med de flade interagerende overflader af facetslebne partikler.

Efter alle disse forenklinger er foretaget, analytiske løsninger for interpartikelenergierne kan opnås, tillader en computer at bryde igennem dem. Og selvom det kan lyde som om de ville introducere en stor mængde fejl, forskerne fandt ud af, at resultaterne i gennemsnit kun var 8 % lavere end det faktiske svar for alle partikelkonfigurationer, og kun 25 % anderledes, når de er værst.

Mens forskerne primært arbejdede med kuber, de viste også, at tilgangen fungerer med trekantede prismer, firkantede stænger og firkantede pyramider. Afhængigt af nanopartiklernes form og materiale, modelleringstilgangen kan påvirke en lang række områder. For eksempel, sølv eller guld nanokuber med kanter tæt på hinanden kan udnytte og fokusere lys til små "hotspots, " at skabe en mulighed for bedre sensorer eller katalysere kemiske reaktioner.

"Dette er første gang, at nogen har foreslået en analytisk model for van der Waals interaktioner mellem facetterede partikler, " sagde Arya. "Selvom vi endnu mangler at anvende det til beregning af interpartikelkræfter eller energier inden for molekylær dynamik eller Monte Carlo-simuleringer af partikelsamling, vi forventer, at modellen vil fremskynde sådanne simuleringer med så meget som ti størrelsesordener."