Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben eerder niet-waargenomen gedrag onthuld dat laat zien hoe details van de overdracht van warmte op nanoschaal ervoor zorgen dat nanodeeltjes van vorm veranderen in ensembles.

De nieuwe bevindingen tonen drie verschillende stadia van evolutie in groepen gouden nanostaafjes, van de initiële staafvorm naar de tussenvorm naar een bolvormig nanodeeltje. Het onderzoek suggereert nieuwe regels voor het gedrag van nanostaafjes-ensembles, inzicht geven in hoe de efficiëntie van de warmteoverdracht in een systeem op nanoschaal kan worden verhoogd.

Op nanoschaal is individuele gouden nanostaafjes hebben unieke elektronische, thermische en optische eigenschappen. Deze eigenschappen begrijpen en beheren hoe verzamelingen van deze langwerpige nanodeeltjes deze energie absorberen en afgeven als warmte, zal nieuw onderzoek stimuleren naar technologieën van de volgende generatie, zoals waterzuiveringssystemen, batterijmaterialen en kankeronderzoek.

Er is veel bekend over hoe enkele nanostaafjes zich gedragen, maar er is weinig bekend over hoe nanostaafjes zich gedragen in groepen van miljoenen. Begrijpen hoe het individuele gedrag van elke nanostaaf, inclusief hoe zijn oriëntatie en snelheid van overgang verschillen van die eromheen, heeft invloed op de collectieve kinetiek van het ensemble en is van cruciaal belang voor het gebruik van nanostaafjes in toekomstige technologieën.

"We begonnen met veel vragen, " zei Argonne-fysicus Yuelin Li, "zoals 'Hoeveel vermogen kunnen de deeltjes vasthouden voordat ze hun functionaliteit verliezen? Hoe beïnvloeden individuele veranderingen op nanoschaal de algehele functionaliteit? Hoeveel warmte wordt er afgegeven aan de omgeving?' Elke nanostaaf ondergaat continu een vormverandering wanneer deze wordt verwarmd tot boven de smelttemperatuur, wat een verandering in het oppervlak betekent en dus een verandering in de thermische en hydrodynamische eigenschappen."

De onderzoekers gebruikten een laser om de nanodeeltjes te verwarmen en röntgenstralen om hun veranderende vormen te analyseren. Over het algemeen, nanostaafjes gaan sneller over in nanosferen wanneer ze worden geleverd met een hogere intensiteit van laservermogen. In dit geval, totaal ander ensemblegedrag werd waargenomen wanneer deze intensiteit stapsgewijs toenam. De intensiteit van de toegepaste warmte verandert niet alleen de vorm van de nanodeeltjes met verschillende snelheden, maar beïnvloedt ook hun vermogen om warmte efficiënt te absorberen en af ​​te geven.

"Voor ons, de sleutel was om te begrijpen hoe efficiënt de nanostaafjes waren in het overbrengen van licht in warmte in veel verschillende scenario's, "Zei nanowetenschapper Subramanian Sankaranarayanan van Argonne's Center for Nanoscale Materials. "Toen moesten we de fysica bepalen achter hoe warmte werd overgedragen en alle verschillende manieren waarop deze nanostaafjes konden overgaan in nanosferen."

Om te zien hoe de staaf deze overgang maakt, onderzoekers schijnen eerst een laserpuls op de nanostaaf die is gesuspendeerd in een wateroplossing bij Argonne's Advanced Photon Source. De laser duurt minder dan honderd femtoseconden, bijna een biljoen keer sneller dan een oogwenk. Wat volgt is een reeks gerichte en snelle röntgenuitbarstingen waarbij gebruik wordt gemaakt van een techniek die röntgenverstrooiing onder een kleine hoek wordt genoemd. De resulterende gegevens worden gebruikt om de gemiddelde vorm van het deeltje te bepalen terwijl het in de loop van de tijd verandert.

Op deze manier, wetenschappers kunnen de minieme veranderingen die optreden in de vorm van de nanostaaf reconstrueren. Echter, om de fysica te begrijpen die ten grondslag ligt aan dit fenomeen, de onderzoekers moesten dieper kijken naar hoe individuele atomen trillen en bewegen tijdens de overgang. Voor deze, ze wendden zich tot het gebied van moleculaire dynamica met behulp van de supercomputerkracht van de Mira-supercomputer met 10 petaflops in de Argonne Leadership Computing Facility.

Mira gebruikte wiskundige vergelijkingen om de individuele bewegingen van bijna twee miljoen atomen van de nanostaafjes in het water te lokaliseren. Met behulp van factoren zoals de vorm, temperatuur en snelheid van verandering, de onderzoekers bouwden simulaties van de nanostaaf in veel verschillende scenario's om te zien hoe de structuur in de loop van de tijd verandert.

"Uiteindelijk, " zei Sankaranarayanan, "We ontdekten dat de warmteoverdrachtssnelheden voor kortere maar bredere nanosferen lager zijn dan voor hun staafvormige voorgangers. Deze afname van de efficiëntie van de warmteoverdracht op nanoschaal speelt een sleutelrol bij het versnellen van de overgang van staaf naar bol bij verhitting boven de smelttemperatuur. "