(Phys.org) -Individuele zilveren nanodeeltjes in oplossingen groeien meestal door aanhechting van één atoom, maar belangrijker, wanneer ze een bepaalde grootte bereiken, kunnen ze zich verbinden met andere deeltjes, volgens wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, de Universiteit van Californië, Davis, en Florida State University. Dit schijnbaar eenvoudige resultaat heeft een lang gekoesterd wetenschappelijk paradigma veranderd dat geen rekening hield met kinetische modellen bij het uitleggen hoe nanodeeltjes-ensembles werden gevormd.

Conventionele methoden zijn ofwel 1) beperkt tot 'post-mortem'-analyse lang nadat de groei was afgenomen, 2) "cherry-picked" de deeltjes die worden onderzocht, daardoor missen de mesoschaal implicaties, of 3) analyseerde alleen het populatiegemiddelde en miste de individuele deeltjesvarianties. Nutsvoorzieningen, door rekening te houden met de kinetiek van de gemiddelde groeisnelheid en de verdeling van deeltjesgroottes, het team legt uit waarom wetenschappers zien wat ze zien wanneer nanodeeltjesensembles worden gevormd via niet-klassieke mechanismen.

"De bevindingen van het team werpen licht op voorheen onverklaarde observaties van aggregatieve groei van nanodeeltjes, " zei Dr. Louis Terminello, die het Chemical Imaging Initiative bij PNNL leidt, die een groot deel van het werk financierde. "Dergelijk begrip van mesoschaalinteracties zorgt voor meer precisie in materiaalsynthese, brengt ons dichter bij op maat gemaakte materialen voor katalyse, energie opslag, en ander gebruik."

het opslaan van hernieuwbare energie voor later gebruik of het ontwerpen van batterijen met een langere levensduur voor elektrisch aangedreven voertuigen, veel van de energieproblemen van vandaag zullen niet worden opgelost met de materialen van vandaag. Er zijn nieuwe materialen nodig. De sleutel tot het vermijden van tijdrovend trial-and-error-onderzoek is om de groei van nanodeeltjes strak te beheersen om de benodigde materialen te bouwen, van onder naar boven. Deze studie biedt belangrijke informatie over nano-ensembles die zijn gegroeid door niet-klassieke mechanismen, inclusief aggregatie en coalescentie.

Sinds het begin van de jaren zestig, wetenschappers hebben de groei van nanodeeltjes kwantitatief geïnterpreteerd met behulp van een model genaamd Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Dit model richt zich op het oplossen van kleine kristallen en de afzetting van het opgeloste materiaal op grotere - een proces dat Ostwald-rijping wordt genoemd. Maar tot nu toe, er is weinig aandacht besteed aan het modelleren van de corresponderende deeltjesgrootteverdeling - een globale eigenschap die vaak belangrijke functionele eigenschappen dicteert, zoals katalytische activiteit.

"Op atomaire schaal, Ostwald-rijping past bij de waargenomen groei. Maar op mesoschaal we moeten meer weten over deeltjesgrootteverdeling, " zei Dr. Nigel Browning, Chief Science Officer voor het Chemical Imaging Initiative en leider van dit project.

De wetenschappers gebruikten in situ vloeibare scanning transmissie-elektronenmicroscopie om zilveren nanodeeltjes-ensembles te laten groeien en direct te observeren. Het team ontdekte dat het Smoluchowski-aggregatiekinetische model kwantitatief overeenkwam met de gemiddelde groeisnelheid en de deeltjesgrootteverdeling van het ensemble. De onderzoekers gebruikten ook een algoritme gemaakt door Dr. Chiwoo Park in de staat Florida om alle deeltjes te vangen en alle gegevens te analyseren. een ander verschil met eerdere methoden.

"Met behulp van de gecombineerde beeldvorming en analytische benadering, kunnen we de volledige deeltjesgrootteverdeling in kaart brengen, en zie hoe het ene mechanisme het andere overneemt, ’ zei Browning.

Hoewel de gemiddelde groeisnelheid die werd waargenomen tijdens de in situ groei-experimenten consistent was met het LSW-model en suggereerde dat Ostwald-rijping het dominante groeimechanisme was, het Smoluchowski-model toonde aan dat de gemiddelde groeisnelheid op ensembleschaal ~ 20% groter is dan voor niet-aggregerende nanodeeltjes. De bijbehorende deeltjesgrootteverdeling is breder en symmetrischer (zie figuur) dan voorspeld door Ostwald-rijping in de LSW. En, het komt beter overeen met de experimentele gegevens. De resultaten van het team suggereren dat de deeltjes een bepaalde grootte moeten bereiken voordat ze in staat zijn uit te groeien tot grotere ensembles.

"Onze resultaten benadrukken echt de noodzaak voor het veld om zowel klassieke als niet-klassieke groeimechanismen te overwegen bij het begrijpen en uiteindelijk beheersen van de uiteindelijke kenmerken van nanodeeltjes, " zei dr. James Evans, een co-auteur en wetenschapper binnen het Environmental Molecular Sciences Laboratory.

Deze studie is een eerste stap om onderzoekers in staat te stellen de grootteverdelingen van nanodeeltjes nauwkeurig te voorspellen en af ​​te stemmen in syntheses op laboratoriumschaal op basis van fysische theorieën en empirische waarnemingen. Het team zal fundamentele vragen over mesoschaalfenomenen blijven beantwoorden.