I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno rivelato comportamenti precedentemente non osservati che mostrano come i dettagli del trasferimento di calore su scala nanometrica inducano le nanoparticelle a cambiare forma negli insiemi.

Le nuove scoperte descrivono tre fasi distinte dell'evoluzione in gruppi di nanobarre d'oro, dalla forma a bastoncino iniziale alla forma intermedia fino a una nanoparticella a forma di sfera. La ricerca suggerisce nuove regole per il comportamento degli insiemi di nanorod, fornendo approfondimenti su come aumentare l'efficienza del trasferimento di calore in un sistema su scala nanometrica.

Alla nanoscala, i singoli nanotubi d'oro hanno un'elettronica unica, proprietà termiche e ottiche. La comprensione di queste proprietà e la gestione del modo in cui le raccolte di queste nanoparticelle allungate assorbono e rilasciano questa energia sotto forma di calore guiderà la nuova ricerca verso tecnologie di prossima generazione come i sistemi di purificazione dell'acqua, materiali per batterie e ricerca sul cancro.

Si sa molto su come si comportano i singoli nanotubi, ma si sa poco su come si comportano i nanotubi in insiemi di milioni. Comprendere come il comportamento individuale di ogni nanobarra, compreso il modo in cui il suo orientamento e la velocità di transizione differiscono da quelli che lo circondano, ha un impatto sulla cinetica collettiva dell'ensemble ed è fondamentale per l'utilizzo dei nanorod nelle tecnologie future.

"Siamo partiti da tante domande, " ha detto il fisico di Argonne Yuelin Li, "come 'Quanta energia possono sostenere le particelle prima di perdere funzionalità? In che modo i cambiamenti individuali su scala nanometrica influenzano la funzionalità complessiva? Quanto calore viene rilasciato nell'area circostante?' Ogni nanobarra subisce continuamente un cambiamento di forma quando riscaldato oltre la temperatura di fusione, il che significa un cambiamento della superficie e quindi un cambiamento delle sue proprietà termiche e idrodinamiche".

I ricercatori hanno utilizzato un laser per riscaldare le nanoparticelle e i raggi X per analizzare le loro forme mutevoli. In genere, le nanobarre si trasformano in nanosfere più rapidamente se alimentate con una maggiore intensità di potenza laser. In questo caso, comportamenti di insieme completamente diversi sono stati osservati quando questa intensità è aumentata in modo incrementale. L'intensità del calore applicato cambia non solo la forma delle nanoparticelle a varie velocità, ma influisce anche sulla loro capacità di assorbire e rilasciare calore in modo efficiente.

"Per noi, la chiave era capire quanto fossero efficienti le nanobarre nel trasferire la luce in calore in molti scenari diversi, ", ha detto il nanoscienziato Subramanian Sankaranarayanan del Centro Argonne per i materiali su nanoscala. "Poi abbiamo dovuto determinare la fisica dietro il modo in cui il calore è stato trasferito e tutti i diversi modi in cui queste nanobarre possono trasformarsi in nanosfere".

Per osservare come l'asta compie questa transizione, i ricercatori prima puntano un impulso laser sulla nanobarra sospesa in una soluzione acquosa presso l'Advanced Photon Source di Argonne. Il laser dura meno di cento femtosecondi, quasi un trilione di volte più veloce di un battito di ciglia. Quella che segue è una serie di raffiche di raggi X focalizzati e rapidi che utilizzano una tecnica chiamata diffusione di raggi X a piccolo angolo. I dati risultanti vengono utilizzati per determinare la forma media della particella mentre cambia nel tempo.

In questo modo, gli scienziati possono ricostruire i minimi cambiamenti che si verificano nella forma del nanorod. Però, per capire la fisica alla base di questo fenomeno, i ricercatori avevano bisogno di approfondire il modo in cui i singoli atomi vibrano e si muovono durante la transizione. Per questo, si sono rivolti al campo della dinamica molecolare utilizzando la potenza di supercalcolo del supercomputer Mira da 10 petaflop presso l'Argonne Leadership Computing Facility.

Mira ha utilizzato equazioni matematiche per individuare i movimenti individuali di quasi due milioni di atomi delle nanobarre nell'acqua. Utilizzando fattori come la forma, temperatura e velocità di variazione, i ricercatori hanno costruito simulazioni del nanorod in molti scenari diversi per vedere come la struttura cambia nel tempo.

"Alla fine, " disse Sankaranarayanan, "abbiamo scoperto che le velocità di trasferimento del calore per le nanosfere più corte ma più larghe sono inferiori rispetto ai loro predecessori a forma di bastoncino. Questa diminuzione dell'efficienza di trasferimento del calore su scala nanometrica svolge un ruolo chiave nell'accelerare la transizione dall'asta alla sfera quando viene riscaldata oltre la temperatura di fusione. "