Materiaalwetenschappers van Duke University hebben een vereenvoudigde methode bedacht voor het berekenen van de aantrekkingskrachten die ervoor zorgen dat nanodeeltjes zichzelf assembleren tot grotere structuren.

Met dit nieuwe model vergezeld van een grafische gebruikersinterface die de kracht ervan demonstreert, onderzoekers zullen in staat zijn om voorheen onmogelijke voorspellingen te doen over hoe nanodeeltjes met een grote verscheidenheid aan vormen met elkaar zullen interageren. De nieuwe methode biedt mogelijkheden om dergelijke deeltjes rationeel te ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen, van het benutten van zonne-energie tot het aansturen van katalytische reacties.

De resultaten verschijnen op 12 november online in het tijdschrift Horizonnen op nanoschaal.

"Gefacetteerde nanodeeltjes kunnen leiden tot nieuw assemblagegedrag, die in het verleden niet zijn onderzocht, " zei Brian Hyun-jong Lee, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en materiaalwetenschappen aan Duke en eerste auteur van het papier. "kubussen, prisma's, staven enzovoort vertonen allemaal verschillende afstands- en oriëntatie-afhankelijke interacties tussen deeltjes die kunnen worden gebruikt om unieke deeltjesassemblages te creëren die men niet kan verkrijgen door zelfassemblage van bolvormige deeltjes."

"Elke keer als ik de laatste reeks gepubliceerde artikelen over nanotechnologie doorneem, Ik zie een nieuwe toepassing van dit soort nanodeeltjes, " voegde Gaurav Arya toe, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Maar het nauwkeurig berekenen van de krachten die deze deeltjes op zeer korte afstand samentrekken, is extreem rekenkundig duur. We hebben nu een aanpak gedemonstreerd die die berekeningen miljoenen keren versnelt, terwijl slechts een kleine hoeveelheid nauwkeurigheid verloren gaat."

De krachten die tussen nanodeeltjes aan het werk zijn, worden van der Waals-krachten genoemd. Deze krachten ontstaan ​​door kleine, tijdelijke verschuivingen in de dichtheid van elektronen die rond atomen draaien volgens de complexe wetten van de kwantumfysica. Hoewel deze krachten zwakker zijn dan andere intermoleculaire interacties zoals coulombkrachten en waterstofbruggen, ze zijn alomtegenwoordig en werken tussen elk atoom, domineert vaak de netto interactie tussen deeltjes.

Om dergelijke krachten tussen deeltjes goed te kunnen verklaren, men moet de Van der Waals-kracht berekenen die elk atoom in het deeltje uitoefent op elk atoom in een nabijgelegen deeltje. Zelfs als beide deeltjes in kwestie minuscule kubussen waren met een grootte kleiner dan 10 nanometer, het aantal berekeningen dat al dergelijke interatomaire interacties optelt, zou in de tientallen miljoenen lopen.

Het is gemakkelijk in te zien waarom het al snel onmogelijk wordt om dit steeds opnieuw te doen voor duizenden deeltjes die zich op verschillende posities en in verschillende oriëntaties bevinden in een simulatie met meerdere deeltjes.

"Er is veel werk verzet om een ​​sommatie te formuleren die in de buurt komt van een analytische oplossing, " zei Arya. "Sommige benaderingen behandelen deeltjes als samengesteld uit oneindig kleine kubussen die aan elkaar zijn geplakt. Anderen proberen de ruimte te vullen met oneindig dunne cirkelvormige ringen. Hoewel deze strategieën voor volumediscretisering onderzoekers in staat hebben gesteld analytische oplossingen te verkrijgen voor interacties tussen eenvoudige deeltjesgeometrieën zoals parallelle platte oppervlakken of bolvormige deeltjes, dergelijke strategieën kunnen niet worden gebruikt om de interacties tussen gefacetteerde deeltjes te vereenvoudigen vanwege hun complexere geometrieën."

Om dit probleem te omzeilen, Lee en Arya pakten het anders aan door verschillende vereenvoudigingen aan te brengen. De eerste stap houdt in dat het deeltje wordt voorgesteld als niet uit kubische elementen, maar van op elkaar gestapelde staafvormige elementen van verschillende lengtes. Het model neemt dan aan dat staven waarvan de projecties buiten de geprojecteerde grens van het andere deeltje vallen, verwaarloosbaar bijdragen aan de totale interactie-energie.

Verder wordt aangenomen dat de energieën die worden bijgedragen door de resterende staven gelijk zijn aan de energieën van staven van uniforme lengte die zich op dezelfde normale afstand als de werkelijke staven bevinden, maar met nul laterale offset. De laatste truc is om de afstandsafhankelijkheid van de staaf-deeltjesenergie te benaderen met behulp van machtswetfuncties die oplossingen in gesloten vorm hebben wanneer afstanden lineair variëren met de laterale positie van de werkelijke staven, zoals het geval is met de platte, op elkaar inwerkende oppervlakken van gefacetteerde deeltjes.

Nadat al deze vereenvoudigingen zijn gemaakt, analytische oplossingen voor de energieën tussen de deeltjes kunnen worden verkregen, waardoor een computer er doorheen kan waaien. En hoewel het misschien klinkt alsof ze een grote hoeveelheid fouten zouden introduceren, de onderzoekers ontdekten dat de resultaten gemiddeld slechts 8% afwijken van het werkelijke antwoord voor alle deeltjesconfiguraties, en slechts 25% verschillend op hun slechtst.

Terwijl de onderzoekers vooral met kubussen werkten, ze toonden ook aan dat de aanpak werkt met driehoekige prisma's, vierkante staven en vierkante piramides. Afhankelijk van de vorm en het materiaal van de nanodeeltjes, de modelleringsbenadering kan van invloed zijn op een breed scala van velden. Bijvoorbeeld, zilveren of gouden nanokubussen met randen dicht bij elkaar kunnen licht bundelen en concentreren in kleine "hotspots, " een kans creëren voor betere sensoren of het katalyseren van chemische reacties.

"Dit is de eerste keer dat iemand een analytisch model heeft voorgesteld voor van der Waals-interacties tussen gefacetteerde deeltjes, " zei Arya. "Hoewel we het nog moeten toepassen voor het berekenen van krachten of energieën tussen deeltjes binnen moleculaire dynamica of Monte Carlo-simulaties van deeltjesassemblage, we verwachten dat het model dergelijke simulaties met maar liefst tien ordes van grootte zal versnellen."