Sebbene ricerche precedenti dimostrino che le nanoparticelle metalliche hanno proprietà utili per varie applicazioni biomediche, rimangono molti misteri su come si formano questi minuscoli materiali, compresi i processi che generano variazioni dimensionali. Per risolvere questo caso, un team di scienziati si è rivolto a tattiche investigative computazionali.

Guidato da Leonid Zhigilei dell'Università della Virginia (UVA), il team ha utilizzato il supercomputer Titan da 27 petaflop dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) per modellare le interazioni tra brevi impulsi laser e bersagli metallici su scala atomica. Conosciuto come ablazione laser, questo processo prevede l'irradiazione di metalli con un raggio laser per rimuovere selettivamente strati di materiale, che modifica la struttura della superficie del bersaglio, o morfologia, e genera nanoparticelle.

Nell'ambito di una ricerca più ampia sulla relazione tra ablazione laser e generazione di nanoparticelle, Il team di Zhigilei ha trascorso le ore di calcolo guadagnate attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) per studiare i meccanismi responsabili della formazione di due popolazioni distinte di nanoparticelle. Questo progetto si è concentrato esclusivamente su come questi processi si manifestano in ambienti liquidi, basandosi su ricerche precedenti che li hanno studiati nel vuoto.

Per corroborare le loro scoperte, gli scienziati dell'UVA hanno collaborato con un gruppo di ricerca dell'Università di Duisburg-Essen, Germania. Nel 2018, i loro risultati sono stati pubblicati in Nanoscala ; la quarta di copertina del diario presentava un'immagine di ablazione laser creata dallo scienziato informatico OLCF Benjamin Hernandez usando SIGHT, uno strumento di visualizzazione personalizzabile da lui sviluppato. L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE.

Seguendo indizi virtuali

Per distinguere tra le sorgenti di nanoparticelle classificate come piccole (meno di 10 nanometri) e grandi (10 o più nanometri), il team ha eseguito una serie di simulazioni di dinamica molecolare su Titano, che ha modellato bersagli d'argento e d'oro in acqua irradiata mediante ablazione laser.

"Questi metalli sono stabili, inerte, e non reagiscono attivamente con l'ambiente circostante, " ha detto Zhigilei. "Inoltre, l'argento ha utili proprietà antibatteriche."

I risultati della simulazione hanno indicato che è più probabile che piccole nanoparticelle si formino dalla condensazione del vapore metallico rapidamente raffreddato attraverso la sua interazione con il vapore acqueo, considerando che quelli di grandi dimensioni possono emergere quando instabilità idrodinamiche, che sono flussi instabili di un fluido attraverso un altro fluido di densità diversa, causare la disgregazione del metallo.

Durante l'ablazione, gli impulsi laser surriscaldano parte della superficie del bersaglio metallico, portando a una decomposizione esplosiva di quella regione in una miscela di vapore e piccole goccioline di liquido. Questa miscela calda viene quindi espulsa dal bersaglio irradiato, formando il cosiddetto pennacchio di ablazione. Conosciuto come esplosione di fase o "ebollizione esplosiva, " questo fenomeno è stato ampiamente studiato per l'ablazione laser nel vuoto.

Però, quando l'ablazione avviene in un ambiente liquido, l'interazione del pennacchio di ablazione con l'acqua circostante complica il processo rallentando il pennacchio di ablazione, che porta alla formazione di uno strato metallico caldo che spinge contro l'acqua.

Questa interazione dinamica può innescare una rapida successione di instabilità idrodinamiche nello strato di metallo fuso, provocandone la disintegrazione parziale o totale e la produzione di grandi nanoparticelle. Una nota novità illustra questo comportamento.

"Quando accendi per la prima volta una lampada di lava, il fluido pesante si trova sopra il fluido leggero, ma poi inizia a fluire sotto l'azione dell'accelerazione gravitazionale e crea alcuni interessanti schemi di flusso e formazione di particelle, "Ha detto Zhigilei. "Qualcosa di simile accade con l'ablazione laser:il pesante strato di metallo caldo viene rapidamente decelerato dall'acqua, che produce instabilità idrodinamiche all'interfaccia metallo-acqua che generano grandi nanoparticelle".

Il team ha osservato i movimenti dei singoli atomi per estrapolare informazioni utili riguardanti entrambi i percorsi verso la generazione di nanoparticelle.

"Abbiamo dovuto passare rapidamente da atomi su una scala da meno di un nanometro a centinaia di nanometri, che ha richiesto la risoluzione di equazioni per centinaia di milioni di atomi nelle nostre simulazioni, " ha detto Zhigilei. "Questo tipo di lavoro è possibile solo su grandi supercomputer come Titan."

Entrambi i processi che portano alla generazione di nanoparticelle avvengono all'interno di una "camera di reazione" transitoria nota come bolla di cavitazione, che risulta dall'interazione tra il pennacchio di ablazione calda e l'ambiente liquido. Studiando la vita della bolla dall'inizio alla fine, gli scienziati possono identificare quali tipi di nanoparticelle emergono in determinate fasi.

"Irradiare un bersaglio metallico in acqua con impulsi laser crea un ambiente caldo che porta alla formazione, espansione, e collasso di una grande bolla simile a quelle create dalla bollitura convenzionale, " Ha detto Zhigilei. "Qualsiasi processo di generazione di nanoparticelle avviene all'interno della bolla o nell'interfaccia tra il pennacchio di ablazione e la superficie della bolla".

Esperimenti di imaging complementari eseguiti presso il Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) hanno confermato i risultati computazionali del team rivelando l'esistenza di microbolle più piccole contenenti nanoparticelle che si sono formate attorno alla bolla di cavitazione principale.

I ricercatori CENIDE hanno anche realizzato video che dimostrano la produzione di nanoparticelle d'oro e mostrano un bersaglio d'oro immerso in una camera di ablazione liquida.

Un progetto per miglioramenti

Gli scienziati tradizionalmente si sono affidati a tecniche di sintesi per produrre in modo efficiente nanoparticelle attraverso una sequenza di reazioni chimiche. Sebbene questo processo consenta un controllo preciso sulla dimensione delle nanoparticelle, la contaminazione chimica può impedire il corretto funzionamento dei materiali risultanti. L'ablazione laser evita questa trappola generando superiori, nanoparticelle pulite mentre modellano sottilmente il metallo in configurazioni più adatte.

"L'ablazione laser crea una soluzione colloidale completamente pulita di nanoparticelle senza l'utilizzo di altre sostanze chimiche, e questi materiali incontaminati sono ideali per applicazioni biomediche, " Zhigilei ha detto. "I risultati dei nostri calcoli possono aiutare ad aumentare questo processo e migliorare la produttività in modo che l'ablazione possa eventualmente competere con la sintesi chimica in termini di numero di nanoparticelle prodotte".

Trovare la fonte della discrepanza dimensionale apre la strada a un futuro in cui i ricercatori possono ottimizzare l'ablazione laser per controllare la dimensione delle nanoparticelle pulite, rendendoli più economici e più facilmente disponibili per potenziali scopi biomedici come l'uccisione selettiva delle cellule tumorali.

Questo risultato esemplifica anche i vantaggi della tecnologia laser, mentre compie passi verso la scoperta dei fattori fondamentali che influenzano i risultati delle interazioni tra un impulso laser e un metallo. Questa conoscenza potrebbe portare a grandi passi avanti nella ricerca sulle nanoparticelle del team, così come i progressi nell'ablazione laser e nelle tecniche correlate, che a sua volta consentirebbe un'interpretazione più precisa dei dati esistenti.

Cheng Yu Shih, autore principale del documento Nanoscale e neolaureato all'UVA, ora lavora per combinare la modellazione con studi sperimentali per esplorare ulteriormente come i diversi metalli generano nanoparticelle in risposta all'ablazione laser.

Zhigilei spera che la ricerca si traduca in una svolta che elimina la necessità del noioso compito di selezionare le nanoparticelle piccole e grandi.