Panagiotis Grammatikopoulos in de OIST Nanoparticles by Design Unit simuleert de interacties van deeltjes die te klein zijn om te zien, en te ingewikkeld om te visualiseren. Om het gedrag van de deeltjes te bestuderen, hij gebruikt een techniek die moleculaire dynamica wordt genoemd. Dit betekent dat elke biljoenste van een seconde, hij berekent de locatie van elk afzonderlijk atoom in het deeltje op basis van waar het is en welke krachten er zijn. Hij gebruikt een computerprogramma om de berekeningen te maken, en animeert vervolgens de beweging van de atomen met behulp van visualisatiesoftware. De resulterende animatie verlicht wat er gebeurt, atoom voor atoom, wanneer twee nanodeeltjes botsen.

Grammatikopoulos noemt dit een virtueel experiment. Hij weet hoe de atomen in zijn beginnende nanodeeltjes eruit zien. Hij weet dat hun beweging de wetten van de Newtoniaanse fysica volgt. Zijn collega's hebben gezien hoe de resulterende deeltjes eruitzien na botsingsexperimenten. Zodra zijn simulatie voltooid is, Grammatikopoulos vergelijkt zijn eindproducten met zijn collega's om zijn juistheid te controleren.

Grammatikopoulos heeft recentelijk gesimuleerd hoe palladium-nanodeeltjes op elkaar inwerken, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 22 juli, 2014. Palladium is een dure maar zeer efficiënte katalysator die de energie verlaagt die nodig is om veel chemische reacties te starten. Onderzoekers kunnen palladium nog efficiënter maken door palladium-nanodeeltjes te ontwerpen, die dezelfde massa palladium gebruiken in kleinere stukjes, oppervlakte vergroten. Hoe meer oppervlakte een katalysator heeft, hoe effectiever het is, omdat er meer actieve plaatsen zijn waar elementen elkaar kunnen ontmoeten en reacties kunnen optreden.

Echter, het krimpen van een materiaal tot slechts enkele nanometers kan enkele eigenschappen van dat materiaal veranderen. Bijvoorbeeld, alle nanodeeltjes smelten bij lagere temperaturen dan normaal, die verandert wat er gebeurt als twee deeltjes botsen. Gewoonlijk, twee deeltjes zullen botsen en een kleine hoeveelheid warmte afgeven, maar de deeltjes blijven min of meer hetzelfde. Maar als twee nanodeeltjes botsen, soms smelt de vrijgekomen warmte het oppervlak van de twee deeltjes, en ze smelten samen.

Grammatikopoulos simuleerde palladium-nanodeeltjes die bij verschillende temperaturen botsen en samensmelten. Hij stelde vast dat elke keer dat de deeltjes samensmolten, hun atomen zouden beginnen te kristalliseren in geordende rijen en vlakken. Bij hogere temperaturen, de deeltjes versmelten tot één homogene structuur. Bij lagere temperaturen, de producten zien eruit als klassieke sneeuwmannen, met een paar delen die waren uitgekristalliseerd met verschillende oriëntaties.

"De simulatie geeft je inzicht in fysieke processen, " zei Grammatikopoulos. Vóór zijn onderzoek, Grammatikopoulos kon niet verklaren waarom alle palladium-nanodeeltjes die zijn lab creëerde een kristallijne structuur hadden. Verder, hij merkte op dat veel palladium-nanodeeltjes uitsteeksels kregen, waardoor de deeltjes een klonterige vorm krijgen. "Omdat de uitsteeksels uitsteken, ze binden gemakkelijker met andere moleculen, " legde Grammatikopoulos uit. "Ik weet nog niet zeker of het nuttig is, maar het heeft zeker invloed op de katalytische eigenschappen."

Deze studie legt enkele basisregels vast en verklaart bepaalde eigenschappen van palladium-nanodeeltjes. Het begrijpen van deze eigenschappen zou kunnen helpen bij het ontwerpen van andere nanodeeltjes uit andere materialen die de capaciteiten van palladium als katalysator zouden evenaren. Palladium speelt een rol bij duizenden belangrijke reacties, van het maken van medicijnen tot het maken van nieuwe biobrandstoffen. Bijvoorbeeld, Prof. Mukhles Sowwan's Nanoparticles by Design Unit en Prof. Igor Goryanin's Biological Systems Unit bij OIST werken met palladium-gekatalyseerde reacties om de efficiëntie van microbiële brandstofcellen te verbeteren. Betere palladium-nanodeeltjes zullen dit onderzoek voortstuwen.

"We moeten de basiswetenschap begrijpen, " legde Sowwan uit, wie is de adviseur van Grammatikopoulos. Sowwan zegt dat het gebied van nanowetenschap pas begint te evolueren naar het toepassen van het onderzoek, omdat er nog zoveel te leren is over de eigenschappen van nanodeeltjes. "Als je iets bouwt zonder de basis te begrijpen, "Sowwan zei, "je zult de resultaten niet kunnen verklaren."