Una ricostruzione digitale mostra come gli atomi in una nanoparticella con sfaccettature cristalline reagiscono quando quella nanoparticella si scontra con un'altra di forma e dimensioni simili nel vuoto. Gli atomi diventano blu quando sono in contatto con la nanoparticella opposta, che non è mostrato. In un nuovo studio, tali ricostruzioni hanno contribuito a rivelare che le nanoparticelle con sfaccettature cristalline sono più efficaci nel trasferire energia durante le collisioni rispetto alle nanoparticelle con una forma più sferica. Credito:Yoichi Takato
Caschi che fanno un lavoro migliore per prevenire commozioni cerebrali e altre lesioni cerebrali. Auricolari che proteggono le persone dai rumori dannosi. Dispositivi che convertono l'energia "spazzatura" dalle vibrazioni delle piste aeroportuali in energia utilizzabile.
Una nuova ricerca sugli eventi che si verificano quando minuscoli granelli di materia chiamati nanoparticelle si scontrano l'uno con l'altro potrebbe un giorno informare lo sviluppo di tali tecnologie.
Usando i supercomputer, gli scienziati guidati dall'Università di Buffalo hanno modellato ciò che accade quando due nanoparticelle si scontrano nel vuoto. Il team ha eseguito simulazioni per nanoparticelle con tre diverse geometrie superficiali:quelle che sono in gran parte circolari (con esterni lisci); quelli con sfaccettature di cristallo; e quelli che possiedono spigoli vivi.
"Il nostro obiettivo era definire le forze che controllano il trasporto di energia su scala nanometrica, ", afferma il coautore dello studio Surajit Sen, dottorato di ricerca, professore di fisica nel College of Arts and Sciences di UB. "Quando hai una minuscola particella che è 10, 20 o 50 atomi di diametro, si comporta ancora allo stesso modo delle particelle più grandi, o cereali? Questo è il succo della domanda che abbiamo posto".
"Il coraggio della risposta, "Sen aggiunge, "è sì e no."
"La nostra ricerca è utile perché pone le basi per la progettazione di materiali che trasmettono o assorbono energia nei modi desiderati, " dice il primo autore Yoichi Takato, dottorato di ricerca. Takato, fisico presso AGC Asahi Glass ed ex borsista post-dottorato presso l'Okinawa Institute of Science and Technology in Giappone, completato gran parte dello studio come dottorando in fisica presso UB. "Per esempio, potresti potenzialmente creare un materiale ultrasottile che assorbe energia. Si potrebbe immaginare che questo sarebbe pratico per l'uso in caschi e copricapi che possono aiutare a prevenire lesioni alla testa e combattere".
Un'illustrazione mostra sezioni trasversali di due nanoparticelle in gran parte sferiche prima e dopo la collisione a 31 metri al secondo in una simulazione al computer. I singoli atomi all'interno delle particelle sono rappresentati come minuscoli punti. Gli scienziati che studiano le collisioni di nanoparticelle hanno generato immagini come queste per molti tipi di incidenti diversi, come quelli che coinvolgono velocità diverse e forme di nanoparticelle diverse. Credito:Yoichi Takato
Lo studio è stato pubblicato il 21 marzo in Atti della Royal Society A di Takato, Sen e Michael E. Benson, che ha completato la sua parte del lavoro come studente universitario di fisica presso UB. Gli scienziati hanno eseguito le loro simulazioni presso il Center for Computational Research, La struttura accademica di supercalcolo di UB.
Multimedia aggiuntivi non disponibili tramite EurekAlert! può essere trovato su http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html.
Cosa succede quando le nanoparticelle si schiantano?
La nuova ricerca si è concentrata sulle piccole nanoparticelle, quelle con diametri da 5 a 15 nanometri. Gli scienziati hanno scoperto che nelle collisioni, particelle di queste dimensioni si comportano diversamente a seconda della loro forma.
Per esempio, le nanoparticelle con sfaccettature di cristallo trasferiscono bene l'energia quando si scontrano l'una con l'altra, rendendoli un componente ideale dei materiali progettati per raccogliere energia. Quando si tratta di trasporto di energia, queste particelle aderiscono alle norme scientifiche che governano i sistemi lineari macroscopici, comprese catene di masse di uguali dimensioni con molle tra loro, visibili ad occhio nudo.
In contrasto, nanoparticelle di forma più rotonda, con superfici amorfe, aderire a leggi di forza non lineari. Questo, a sua volta, significa che possono essere particolarmente utili per l'attenuazione degli shock. Quando due nanoparticelle sferiche si scontrano, l'energia si dissipa intorno al punto di contatto iniziale su ciascuno invece di propagarsi completamente attraverso entrambi. Gli scienziati riferiscono che a velocità di impatto di circa 30 metri al secondo, gli atomi all'interno di ciascuna particella si spostano solo vicino al punto di contatto iniziale.
Le nanoparticelle con bordi taglienti sono meno prevedibili:secondo il nuovo studio, il loro comportamento varia a seconda della nitidezza dei bordi quando si tratta di trasportare energia.
Una ricostruzione digitale mostra come gli atomi in una nanoparticella in gran parte sferica reagiscono quando quella nanoparticella si scontra con un'altra di forma e dimensioni simili nel vuoto. Gli atomi diventano blu quando sono in contatto con la nanoparticella opposta, che non è mostrato. In un nuovo studio, tali ricostruzioni hanno contribuito a rivelare che le nanoparticelle in gran parte sferiche assorbono meglio l'energia durante le collisioni rispetto alle nanoparticelle con sfaccettature cristalline. Credito:Yoichi Takato
Progettare una nuova generazione di materiali
"Da una prospettiva molto ampia, il tipo di lavoro che stiamo facendo ha prospettive molto entusiasmanti, " Sen dice. "Dà agli ingegneri informazioni fondamentali sulle nanoparticelle che prima non avevano. Se stai progettando un nuovo tipo di nanoparticella, ora puoi pensare di farlo in un modo che tenga conto di ciò che accade quando hai nanoparticelle molto piccole che interagiscono tra loro."
Sebbene molti scienziati stiano lavorando con la nanotecnologia, il modo in cui si comportano le più piccole nanoparticelle quando si scontrano l'una con l'altra è in gran parte una questione aperta, dice Takato.
"Quando progetti un materiale, che dimensione vuoi che abbia la nanoparticella? Come disporrete le particelle all'interno del materiale? Quanto compatto vuoi che sia? Il nostro studio può informare queste decisioni, " dice Takato.
