Hoewel eerder onderzoek aantoont dat metalen nanodeeltjes eigenschappen hebben die nuttig zijn voor verschillende biomedische toepassingen, er zijn nog veel mysteries over hoe deze kleine materialen zich vormen, inclusief de processen die variaties in grootte genereren. Om deze zaak te kraken, een team van wetenschappers wendde zich tot computationele speurtactieken.

Onder leiding van Leonid Zhigilei van de Universiteit van Virginia (UVA), het team gebruikte de 27-petaflop Titan-supercomputer van Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) om de interacties tussen korte laserpulsen en metalen doelen op atomaire schaal te modelleren. Bekend als laserablatie, dit proces omvat het bestralen van metalen met een laserstraal om selectief materiaallagen te verwijderen, die de oppervlaktestructuur van het doelwit verandert, of morfologie, en genereert nanodeeltjes.

Als onderdeel van een breder onderzoek naar de relatie tussen laserablatie en het genereren van nanodeeltjes, Het team van Zhigilei besteedde rekenuren die verdiend waren met het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) aan het onderzoeken van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het vormen van twee verschillende populaties van nanodeeltjes. Dit project richtte zich uitsluitend op hoe deze processen zich manifesteren in vloeibare omgevingen, voortbouwend op eerder onderzoek dat ze in een vacuüm bestudeerde.

Om hun bevindingen te bevestigen, de UVA-wetenschappers werkten samen met een onderzoeksgroep van de Universiteit van Duisburg-Essen, Duitsland. in 2018, hun resultaten zijn gepubliceerd in nanoschaal ; op de achteromslag van het tijdschrift stond een afbeelding van laserablatie die OLCF-computerwetenschapper Benjamin Hernandez maakte met SIGHT, een aanpasbare visualisatietool die hij ontwikkelde. De OLCF is een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het DOE.

Virtuele aanwijzingen volgen

Om onderscheid te maken tussen de bronnen van nanodeeltjes gecategoriseerd als klein (minder dan 10 nanometer) en groot (10 of meer nanometer), het team voerde een reeks moleculaire dynamica-simulaties uit op Titan, die gemodelleerde zilveren en gouden doelen in water bestraald door laserablatie.

"Deze metalen zijn stabiel, inert, en niet actief reageren met de omgeving, "Zei Zhigilei. "Bovendien, zilver heeft nuttige antibacteriële eigenschappen."

De simulatieresultaten gaven aan dat de kans groter is dat kleine nanodeeltjes worden gevormd door de condensatie van metaaldamp die snel wordt afgekoeld door zijn interactie met waterdamp, overwegende dat grote kunnen ontstaan ​​wanneer hydrodynamische instabiliteiten, die onstabiele stromingen zijn van een vloeistof door een andere vloeistof met een andere dichtheid, ervoor zorgen dat het metaal uiteenvalt.

Tijdens ablatie, laserpulsen oververhitten een deel van het oppervlak van het metalen doel, wat leidt tot een explosieve ontleding van dat gebied in een mengsel van damp en kleine vloeistofdruppeltjes. Dit hete mengsel wordt vervolgens uit het bestraalde doel geworpen, de zogenaamde ablatiepluim vormen. Bekend als fase-explosie of "explosief kokend, "Dit fenomeen is uitgebreid bestudeerd voor laserablatie in vacuüm.

Echter, wanneer ablatie plaatsvindt in een vloeibare omgeving, de interactie van de ablatiepluim met het omringende water bemoeilijkt het proces door de ablatiepluim te vertragen, wat leidt tot de vorming van een hete metalen laag die tegen het water drukt.

Deze dynamische interactie kan een snelle opeenvolging van hydrodynamische instabiliteiten in de gesmolten metaallaag veroorzaken, waardoor het geheel of gedeeltelijk uiteenvalt en grote nanodeeltjes produceert. Een bekend nieuwigheidsartikel illustreert dit gedrag.

"Als je voor het eerst een lavalamp aanzet, de zware vloeistof zit bovenop de lichte vloeistof, maar dan begint het te stromen onder invloed van zwaartekrachtversnelling en creëert een aantal interessante stromingspatronen en deeltjesvorming, "Zhigilei zei. "Iets soortgelijks gebeurt met laserablatie - de zware laag heet metaal wordt snel afgeremd door water, die hydrodynamische instabiliteiten produceert op de metaal-waterinterface die grote nanodeeltjes genereren."

Het team observeerde de bewegingen van individuele atomen om nuttige informatie te extrapoleren over beide paden naar het genereren van nanodeeltjes.

"We moesten snel schakelen van atomen op de schaal van minder dan één nanometer naar honderden nanometers, waarvoor het oplossen van vergelijkingen voor honderden miljoenen atomen in onze simulaties nodig was, "Zei Zhigilei. "Dit soort werk is alleen mogelijk op grote supercomputers zoals Titan."

Beide processen die leiden tot het genereren van nanodeeltjes vinden plaats in een tijdelijke "reactiekamer" die bekend staat als de cavitatiebel, die het gevolg is van de interactie tussen de hete ablatiepluim en de vloeibare omgeving. Door de levensduur van de zeepbel van begin tot eind te bestuderen, wetenschappers kunnen identificeren welke soorten nanodeeltjes in bepaalde stadia ontstaan.

"Het bestralen van een metalen doelwit in water met laserpulsen creëert een hete omgeving die leidt tot de formatie, uitbreiding, en ineenstorting van een grote bel vergelijkbaar met die gecreëerd door conventioneel koken, "Zei Zhigilei. "Elk proces van het genereren van nanodeeltjes vindt plaats in de bel of in het grensvlak tussen de ablatiepluim en het oppervlak van de bel."

Complementaire beeldvormingsexperimenten uitgevoerd in het Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) bevestigden de computationele bevindingen van het team door het bestaan ​​​​van kleinere microbellen met nanodeeltjes te onthullen die zich rond de belangrijkste cavitatiebel vormden.

De CENIDE-onderzoekers hebben ook video's gemaakt die de productie van gouden nanodeeltjes demonstreren en een gouden doelwit tonen dat is ondergedompeld in een vloeibare ablatiekamer.

Een blauwdruk voor verbeteringen

Wetenschappers hebben traditioneel vertrouwd op synthesetechnieken om nanodeeltjes efficiënt te produceren door middel van een reeks chemische reacties. Hoewel dit proces nauwkeurige controle over de grootte van nanodeeltjes mogelijk maakt, chemische verontreiniging kan ervoor zorgen dat de resulterende materialen niet goed functioneren. Laserablatie vermijdt deze valkuil door superieure, schone nanodeeltjes terwijl het metaal subtiel in meer geschikte configuraties vormt.

"Laserablatie creëert een volledig schone colloïdale oplossing van nanodeeltjes zonder gebruik te maken van andere chemicaliën, en deze ongerepte materialen zijn ideaal voor biomedische toepassingen, "Zei Zhigilei. "De resultaten van onze berekeningen kunnen helpen om dit proces op te schalen en de productiviteit te verbeteren, zodat ablatie uiteindelijk kan concurreren met chemische synthese in termen van het aantal geproduceerde nanodeeltjes."

Het vinden van de bron van het verschil in grootte baant de weg naar een toekomst waarin onderzoekers laserablatie kunnen optimaliseren om de grootte van schone nanodeeltjes te beheersen, waardoor ze goedkoper en gemakkelijker beschikbaar zijn voor mogelijke biomedische doeleinden, zoals het selectief doden van kankercellen.

Deze prestatie illustreert ook de voordelen van lasertechnologie, terwijl stappen worden ondernomen om de fundamentele factoren bloot te leggen die de resultaten van interacties tussen een laserpuls en een metaal beïnvloeden. Deze kennis kan leiden tot grote vooruitgang in het nanodeeltjesonderzoek van het team, evenals vooruitgang in laserablatie en aanverwante technieken, wat op zijn beurt een nauwkeurigere interpretatie van bestaande gegevens mogelijk zou maken.

Cheng-Yu Shih, hoofdauteur van de Nanoscale-paper en recent afgestudeerd aan UVA, werkt nu om modellering te combineren met experimentele studies om verder te onderzoeken hoe verschillende metalen nanodeeltjes genereren als reactie op laserablatie.

Zhigilei hoopt dat het onderzoek zal leiden tot een doorbraak die de moeizame taak van het sorteren van kleine en grote nanodeeltjes overbodig maakt.