Panagiotis Grammatikopoulos nell'OIST Nanoparticles by Design Unit simula le interazioni di particelle che sono troppo piccole per essere viste, e troppo complicato da visualizzare. Per studiare il comportamento delle particelle, usa una tecnica chiamata dinamica molecolare. Ciò significa che ogni trilionesimo di secondo, calcola la posizione di ogni singolo atomo nella particella in base a dove si trova e quali forze si applicano. Usa un programma per computer per fare i calcoli, e quindi anima il movimento degli atomi utilizzando un software di visualizzazione. L'animazione risultante illumina ciò che accade, atomo per atomo, quando due nanoparticelle entrano in collisione.
Grammatikopoulos lo chiama un esperimento virtuale. Sa come sono gli atomi nelle sue nanoparticelle di partenza. Sa che il loro moto segue le leggi della fisica newtoniana. I suoi colleghi hanno visto come appaiono le particelle risultanti dopo gli esperimenti di collisione. Una volta completata la sua simulazione, Grammatikopoulos confronta i suoi prodotti finali con i suoi colleghi per verificarne l'accuratezza.
Grammatikopoulos ha recentemente simulato come interagiscono le nanoparticelle di palladio, pubblicato in Rapporti scientifici il 22 luglio, 2014. Il palladio è un catalizzatore costoso ma altamente efficiente che riduce l'energia necessaria per avviare molte reazioni chimiche. I ricercatori possono rendere il palladio ancora più efficiente progettando nanoparticelle di palladio, che utilizzano la stessa massa di palladio in pezzi più piccoli, superficie crescente. Maggiore è la superficie di un catalizzatore, più è efficace, perché ci sono più siti attivi in cui gli elementi possono incontrarsi e possono verificarsi reazioni.
Però, restringere un materiale a pochi nanometri può modificare alcune delle proprietà di quel materiale. Per esempio, tutte le nanoparticelle fondono a temperature più basse di quanto farebbero normalmente, che cambia ciò che accade quando due particelle si scontrano. ordinariamente, due particelle si scontreranno e rilasceranno una piccola quantità di calore, ma le particelle rimangono più o meno le stesse. Ma quando due nanoparticelle si scontrano, a volte il calore rilasciato fonde la superficie delle due particelle, e si fondono insieme.
Grammatikopoulos ha simulato la collisione e la fusione di nanoparticelle di palladio a diverse temperature. Decise che ogni volta che le particelle si fondevano, i loro atomi inizierebbero a cristallizzarsi in file e piani ordinati. A temperature più elevate, le particelle si fondono in una struttura omogenea. A temperature più basse, i prodotti sembrano dei classici pupazzi di neve, con poche parti che si erano cristallizzate con orientamenti diversi.
"La simulazione ti dà una comprensione dei processi fisici, " ha detto Grammatikopoulos. Prima della sua ricerca, Grammatikopoulos non riusciva a spiegare perché tutte le nanoparticelle di palladio create dal suo laboratorio avessero una struttura cristallina. Per di più, notò che molte nanoparticelle di palladio crescevano sporgenze, dando alle particelle una forma grumosa. "Poiché le sporgenze sporgono, si legano più facilmente ad altre molecole, " Grammatikopoulos ha spiegato. "Non sono ancora sicuro che sia vantaggioso, ma sta sicuramente influenzando le proprietà catalitiche."
Questo studio stabilisce alcune regole di base e spiega alcune proprietà delle nanoparticelle di palladio. Comprendere queste proprietà potrebbe aiutare a progettare altre nanoparticelle da altri materiali che rivaleggiano con le capacità del palladio come catalizzatore. Il palladio ha un ruolo in migliaia di reazioni importanti, dalla produzione di farmaci alla creazione di nuovi biocarburanti. Per esempio, Le nanoparticelle del prof. Mukhles Sowwan dell'unità di progettazione e l'unità di sistemi biologici del prof. Igor Goryanin presso l'OIST stanno lavorando con reazioni catalizzate dal palladio per migliorare l'efficienza delle celle a combustibile microbiche. Nanoparticelle di palladio migliori daranno impulso a questa ricerca.
"Abbiamo bisogno di capire la scienza di base, " ha spiegato Sowwan, che è il consigliere di Grammatikopoulos. Sowwan afferma che il campo della nanoscienza sta appena iniziando a muoversi verso l'applicazione della ricerca, perché c'è ancora tanto da imparare sulle proprietà delle nanoparticelle. "Se costruisci qualcosa senza capire le basi, "Sowwan ha detto, "non sarai in grado di spiegare i risultati."
