Gli scienziati dei materiali della Duke University hanno ideato un metodo semplificato per calcolare le forze attrattive che causano l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in strutture più grandi.

Con questo nuovo modello, accompagnato da un'interfaccia utente grafica che ne dimostra la potenza, i ricercatori saranno in grado di fare previsioni precedentemente impossibili su come le nanoparticelle con un'ampia varietà di forme interagiranno tra loro. Il nuovo metodo offre opportunità per progettare razionalmente tali particelle per un'ampia gamma di applicazioni, dallo sfruttamento dell'energia solare all'azionamento di reazioni catalitiche.

I risultati appaiono online il 12 novembre sulla rivista Orizzonti su nanoscala.

"Le nanoparticelle sfaccettate possono portare a nuovi comportamenti di assemblaggio, che non sono stati esplorati in passato, " disse Brian Hyun-jong Lee, uno studente laureato in ingegneria meccanica e scienze dei materiali alla Duke e primo autore dell'articolo. "Cubi, prismi, le aste e così via mostrano interazioni interparticellari dipendenti dalla distanza e dall'orientamento che possono essere utilizzate per creare assemblaggi di particelle unici che non si possono ottenere attraverso l'autoassemblaggio di particelle sferiche".

"Ogni volta che passo in rassegna l'ultima serie di articoli pubblicati sulla nanotecnologia, Vedo qualche nuova applicazione di questi tipi di nanoparticelle, "aggiunse Gaurav Arya, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Ma calcolare con precisione le forze che uniscono queste particelle a distanza molto ravvicinata è estremamente costoso dal punto di vista computazionale. Ora abbiamo dimostrato un approccio che accelera quei calcoli di milioni di volte, perdendo solo una piccola quantità di precisione".

Le forze in gioco tra le nanoparticelle sono chiamate forze di van der Waals. Queste forze sorgono a causa di piccole, spostamenti temporanei nella densità degli elettroni che orbitano attorno agli atomi secondo le complesse leggi della fisica quantistica. Sebbene queste forze siano più deboli di altre interazioni intermolecolari come le forze coulombiane e i legami idrogeno, sono onnipresenti e agiscono tra ogni singolo atomo, spesso dominando l'interazione netta tra le particelle.

Per tenere adeguatamente conto di tali forze tra le particelle, bisogna calcolare la forza di van der Waals che ogni atomo della particella esercita su ogni atomo di una particella vicina. Anche se entrambe le particelle in questione fossero minuscoli cubi di dimensioni inferiori a 10 nanometri, il numero di calcoli che sommano tutte queste interazioni interatomiche sarebbe nell'ordine delle decine di milioni.

È facile capire perché provare a farlo più e più volte per migliaia di particelle situate in posizioni diverse e con orientamenti diversi in una simulazione multiparticellare diventa rapidamente impossibile.

"Molto lavoro è stato fatto per formulare una sommatoria che si avvicini a una soluzione analitica, " disse Arya. "Alcuni approcci trattano le particelle come costituite da cubi infinitamente piccoli attaccati insieme. Altri cercano di riempire lo spazio con anelli circolari infinitamente sottili. Mentre queste strategie di discretizzazione del volume hanno permesso ai ricercatori di ottenere soluzioni analitiche per le interazioni tra geometrie di particelle semplici come superfici piane parallele o particelle sferiche, tali strategie non possono essere utilizzate per semplificare le interazioni tra particelle sfaccettate a causa delle loro geometrie più complesse".

Per aggirare questo problema, Lee e Arya hanno adottato un approccio diverso apportando diverse semplificazioni. Il primo passo consiste nel rappresentare la particella come composta non da elementi cubici, ma di elementi astiformi di varia lunghezza impilati tra loro. Il modello assume quindi che i bastoncini le cui proiezioni cadono al di fuori del confine proiettato dell'altra particella contribuiscano in modo trascurabile all'energia di interazione complessiva.

Si presume inoltre che le energie apportate dalle aste rimanenti siano uguali alle energie delle aste di lunghezza uniforme situate alla stessa distanza normale delle aste reali, ma con spostamento laterale nullo. Il trucco finale consiste nell'approssimare la dipendenza dalla distanza dell'energia asta-particella utilizzando funzioni di legge di potenza che hanno soluzioni in forma chiusa quando le distanze variano linearmente con la posizione laterale delle aste reali, come nel caso delle superfici piatte interagenti di particelle sfaccettate.

Dopo tutte queste semplificazioni, si possono ottenere soluzioni analitiche per le energie interparticellari, permettendo a un computer di attraversarli. E anche se può sembrare che introducano una grande quantità di errori, i ricercatori hanno scoperto che i risultati erano solo dell'8% di sconto in media dalla risposta effettiva per tutte le configurazioni di particelle, e solo il 25% diversi al loro peggio.

Mentre i ricercatori hanno lavorato principalmente con i cubi, hanno anche dimostrato che l'approccio funziona con prismi triangolari, aste quadrate e piramidi quadrate. A seconda della forma e del materiale delle nanoparticelle, l'approccio di modellazione potrebbe avere un impatto su un'ampia gamma di campi. Per esempio, i nanocubi d'argento o d'oro con bordi vicini l'uno all'altro possono imbrigliare e focalizzare la luce in minuscoli "punti caldi, " creare un'opportunità per sensori migliori o catalizzare reazioni chimiche.

"Questa è la prima volta che qualcuno propone un modello analitico per le interazioni di van der Waals tra particelle sfaccettate, " ha detto Arya. "Anche se dobbiamo ancora applicarlo per calcolare le forze o le energie interparticellari all'interno della dinamica molecolare o delle simulazioni Monte Carlo dell'assemblaggio delle particelle, ci aspettiamo che il modello acceleri tali simulazioni fino a dieci ordini di grandezza".