(Phys.org) —Le singole nanoparticelle d'argento nelle soluzioni crescono tipicamente attraverso l'attaccamento di un singolo atomo, ma soprattutto, quando raggiungono una certa dimensione possono legarsi ad altre particelle, secondo gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory, l'Università della California, Davis, e la Florida State University. Questo risultato apparentemente semplice ha spostato un paradigma scientifico di vecchia data che non considerava i modelli cinetici quando spiegava come si formavano gli insiemi di nanoparticelle.

I metodi convenzionali sono stati 1) limitati all'analisi "post mortem" molto tempo dopo che la crescita si è placata, 2) "raccolto ciliegia" le particelle in esame, perdendo così le implicazioni su mesoscala, o 3) ha analizzato solo la media della popolazione e ha mancato le varianze delle singole particelle. Ora, considerando la cinetica del tasso di crescita medio e la distribuzione delle dimensioni delle particelle, il team spiega perché gli scienziati vedono ciò che vedono quando gli insiemi di nanoparticelle si formano tramite meccanismi non classici.

"I risultati del team fanno luce su osservazioni precedentemente inspiegabili sulla crescita aggregativa delle nanoparticelle, " ha detto il dottor Luigi Terminello, che guida la Chemical Imaging Initiative al PNNL, che ha finanziato gran parte del lavoro. "Tale comprensione delle interazioni su mesoscala fornisce una maggiore precisione nella sintesi dei materiali, avvicinandoci ai materiali su misura per la catalisi, stoccaggio di energia, e altri usi."

lo stoccaggio di energia rinnovabile per un uso successivo o la progettazione di batterie di maggiore durata per veicoli a propulsione elettrica, molti dei problemi energetici di oggi non saranno risolti con i materiali di oggi. Servono nuovi materiali. La chiave per evitare lunghe ricerche per tentativi ed errori è controllare strettamente la crescita delle nanoparticelle per costruire i materiali necessari, dal basso verso l'alto. Questo studio fornisce importanti informazioni sui nano-insiemi cresciuti con meccanismi non classici, compresa l'aggregazione e la coalescenza.

Dai primi anni Sessanta, gli scienziati hanno interpretato quantitativamente la crescita delle nanoparticelle utilizzando un modello chiamato Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Questo modello affronta la dissoluzione di piccoli cristalli e la deposizione del materiale disciolto su quelli più grandi, un processo chiamato maturazione di Ostwald. Ma fino ad ora, poca attenzione è stata dedicata alla modellazione della corrispondente distribuzione granulometrica, una proprietà globale che spesso detta importanti proprietà funzionali, come l'attività catalitica.

"Su scala atomica, La maturazione di Ostwald si adatta alla crescita osservata. Ma alla mesoscala, abbiamo bisogno di saperne di più sulla distribuzione granulometrica, " ha detto il dottor Nigel Browning, Direttore scientifico della Chemical Imaging Initiative e responsabile di questo progetto.

Gli scienziati hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione di liquido in situ per far crescere e osservare direttamente gli insiemi di nanoparticelle d'argento. Il team ha scoperto che il modello cinetico di aggregazione di Smoluchowski corrispondeva quantitativamente al tasso di crescita medio e alla distribuzione delle dimensioni delle particelle dell'insieme. I ricercatori hanno anche utilizzato un algoritmo creato dal Dr. Chiwoo Park presso lo stato della Florida per catturare tutte le particelle e analizzare tutti i dati, un'altra differenza rispetto ai metodi precedenti.

"Utilizzando l'imaging combinato e l'approccio analitico, possiamo mappare la distribuzione granulometrica completa, e vedere come un meccanismo prende il sopravvento sull'altro, ", ha detto Browning.

Sebbene il tasso di crescita medio osservato durante gli esperimenti di crescita in situ fosse coerente con il modello LSW e suggerisse che la maturazione di Ostwald fosse il meccanismo di crescita dominante, il modello di Smoluchowski ha mostrato che il tasso di crescita medio su scala d'insieme è del 20% maggiore rispetto a quello delle nanoparticelle non aggreganti. La corrispondente distribuzione granulometrica è più ampia e più simmetrica (vedi figura) di quella prevista dalla maturazione di Ostwald nel LSW. E, corrisponde maggiormente ai dati sperimentali. I risultati del team suggeriscono che le particelle devono raggiungere una certa dimensione prima di poter crescere in insiemi più grandi.

"I nostri risultati evidenziano davvero la necessità per il settore di considerare i meccanismi di crescita sia classici che non classici quando si cerca di comprendere e in definitiva controllare le caratteristiche finali delle nanoparticelle, " ha detto il dottor James Evans, coautore e scienziato all'interno del Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali.

Questo studio è un primo passo per consentire ai ricercatori di prevedere e ottimizzare con precisione le distribuzioni delle dimensioni delle nanoparticelle in sintesi su scala di laboratorio basate su teorie fisiche e osservazioni empiriche. Il team continuerà a rispondere a domande fondamentali sui fenomeni di mesoscala.