Schema di trasporto e aggregazione di nanopiastrine di boehmite. La microscopia elettronica a trasmissione criogenica mostra pile di piastrine che si allineano e si fondono in singoli cristalli. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
Le particelle in soluzione possono crescere, trasporto, scontrarsi, interagire, e si aggregano in forme e strutture complesse. Prevedere l'esito di questi eventi è molto impegnativo, soprattutto per particelle di forma irregolare in condizioni di soluzione estreme. Una nuova ricerca degli scienziati dell'Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) Energy Frontier Research Center ha scoperto che le nanopiastrine di ossiidrossido di alluminio (boehmite) si allineano e si attaccano per formare pile ordinatamente ordinate, una nuova scoperta che ha coinvolto sia la ricerca sperimentale che computazionale.
Il lavoro, guidato da scienziati del Pacific Northwest National Laboratory in collaborazione con scienziati della Washington State University e dell'Oak Ridge National Laboratory, è stato presentato in ACS Nano in un documento intitolato, "Impatto della chimica delle soluzioni e dell'anisotropia delle particelle sulla dinamica collettiva dell'aggregazione orientata".
Lo studio fornisce dettagli chiave sulla struttura e la dinamica delle piastrine di boehmite in soluzioni saline ad alto pH, condizioni rilevanti per i rifiuti radioattivi ad alto livello come quello trovato nel sito nucleare di Hanford.
Quando gli stack di nanocristalli sono stati posti in soluzioni saline ad alto pH, si aggregavano rapidamente in microstrutture più grandi. Queste piastrine si accumulano ulteriormente a velocità che aumentano con il pH e [NaNO 3 ], passaggio dal regime limitato dalla reazione al regime limitato dalla diffusione. Per aiutare a spiegare questo comportamento, abbiamo calcolato le proprietà di trasporto delle nanopiastrine, in particolare le loro modalità di movimento rotazionale e traslazionale. I calcoli delle diffusività traslazionali/rotazionali e dei rapporti di stabilità colloidale hanno dimostrato l'importanza di considerare le forme irregolari delle particelle.
Le simulazioni Monte Carlo hanno collegato la forma delle nanoparticelle del seme alla struttura e al comportamento di crescita degli aggregati emergenti. Inoltre, abbiamo determinato che le piastrine interagiscono in modo diverso ai bordi, facce, o angoli, che complica l'uso di modelli tipici basati su particelle sferiche. Questi risultati sono passi importanti verso una comprensione predittiva del trasporto e dell'aggregazione delle nanoparticelle che risolveranno i problemi in geochimica, biologia, scienza dei materiali, e oltre.
Queste nuove intuizioni sulla crescita, assemblea, e l'aggregazione per boehmite e altri sistemi di cuscinetti in alluminio informerà lo sviluppo di modelli predittivi applicati agli schemi di controllo del processo.
