Helmen die hersenschuddingen en ander hersenletsel beter voorkomen. Oortelefoons die mensen beschermen tegen schadelijke geluiden. Apparaten die "junk"-energie van trillingen op de landingsbaan van luchthavens omzetten in bruikbare energie.

Nieuw onderzoek naar de gebeurtenissen die plaatsvinden wanneer kleine deeltjes materie, nanodeeltjes genaamd, tegen elkaar botsen, zou op een dag de ontwikkeling van dergelijke technologieën kunnen informeren.

Met behulp van supercomputers, wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Buffalo hebben gemodelleerd wat er gebeurt als twee nanodeeltjes in een vacuüm botsen. Het team voerde simulaties uit voor nanodeeltjes met drie verschillende oppervlaktegeometrieën:die grotendeels cirkelvormig zijn (met gladde buitenkanten); die met kristallen facetten; en die met scherpe randen.

"Ons doel was om de krachten in kaart te brengen die het energietransport op nanoschaal regelen, " zegt studie co-auteur Surajit Sen, doctoraat, hoogleraar natuurkunde aan de UB's College of Arts and Sciences. "Als je een klein deeltje hebt van 10, 20 of 50 atomen breed, gedraagt ​​het zich nog steeds op dezelfde manier als grotere deeltjes, of granen? Dat is het lef van de vraag die we stelden."

"Het lef van het antwoord, "Sen voegt eraan toe, "is ja en nee."

"Ons onderzoek is nuttig omdat het de basis legt voor het ontwerpen van materialen die energie op de gewenste manieren overbrengen of absorberen, " zegt eerste auteur Yoichi Takato, doctoraat. Takato, een natuurkundige bij AGC Asahi Glass en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan het Okinawa Institute of Science and Technology in Japan, voltooide een groot deel van de studie als promovendus in de natuurkunde aan de UB. "Bijvoorbeeld, je zou mogelijk een ultradun materiaal kunnen maken dat energieabsorberend is. Je zou je kunnen voorstellen dat dit praktisch zou zijn voor gebruik in helmen en hoofddeksels die kunnen helpen hoofdletsel te voorkomen en verwondingen te bestrijden."

De studie werd op 21 maart gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society A door Takato, Sen en Michael E. Benson, die zijn deel van het werk voltooide als student natuurkunde aan de UB. De wetenschappers voerden hun simulaties uit bij het Center for Computational Research, UB's academische supercomputerfaciliteit.

Extra multimedia niet beschikbaar via EurekAlert! is te vinden op http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html.

Wat gebeurt er als nanodeeltjes crashen?

Het nieuwe onderzoek richtte zich op kleine nanodeeltjes - die met een diameter van 5 tot 15 nanometer. De wetenschappers ontdekten dat bij botsingen, deeltjes van deze grootte gedragen zich verschillend afhankelijk van hun vorm.

Bijvoorbeeld, nanodeeltjes met kristalfacetten dragen energie goed over wanneer ze tegen elkaar botsen, waardoor ze een ideaal onderdeel zijn van materialen die zijn ontworpen om energie te oogsten. Als het om energietransport gaat, deze deeltjes houden zich aan wetenschappelijke normen die macroscopische lineaire systemen beheersen - inclusief kettingen van gelijke massa's met veren ertussen - die zichtbaar zijn voor het blote oog.

In tegenstelling tot, nanodeeltjes die ronder van vorm zijn, met amorfe oppervlakken, zich houden aan niet-lineaire krachtwetten. Dit, beurtelings, betekent dat ze vooral nuttig kunnen zijn voor schokbeperking. Wanneer twee bolvormige nanodeeltjes botsen, energie dissipeert rond het eerste contactpunt op elk in plaats van zich helemaal door beide te verspreiden. De wetenschappers melden dat bij crashsnelheden van ongeveer 30 meter per seconde, atomen binnen elk deeltje verschuiven alleen in de buurt van het eerste contactpunt.

Nanodeeltjes met scherpe randen zijn minder voorspelbaar:volgens de nieuwe studie hun gedrag varieert afhankelijk van de scherpte van de randen als het gaat om het transporteren van energie.

Een nieuwe generatie materialen ontwerpen

“Vanuit een heel breed perspectief, het soort werk dat we doen heeft zeer opwindende vooruitzichten, Sen zegt. "Het geeft ingenieurs fundamentele informatie over nanodeeltjes die ze eerder niet hadden. Als je een nieuw type nanodeeltje ontwerpt, je kunt er nu over nadenken om het op een manier te doen die rekening houdt met wat er gebeurt als je hele kleine nanodeeltjes met elkaar in wisselwerking staan."

Hoewel veel wetenschappers met nanotechnologie werken, de manier waarop de kleinste nanodeeltjes zich gedragen wanneer ze tegen elkaar botsen, is grotendeels een open vraag, zegt Takato.

"Als je een materiaal ontwerpt, hoe groot wil je dat het nanodeeltje is? Hoe leg je de deeltjes in het materiaal neer? Hoe compact wil je het hebben? Onze studie kan deze beslissingen informeren, ' zegt Takato.