Några av de senaste framstegen inom nanoteknik beror kritiskt på hur nanopartiklar rör sig och diffunderar på en yta eller i en vätska under icke-ideala till extrema förhållanden. Georgia Tech har ett team av forskare som är dedikerade till att flytta fram denna gräns.

Rigoberto Hernandez, professor vid skolan för kemi och biokemi, undersöker dessa samband genom att studera tredimensionella partikeldynamiksimuleringar på högpresterande datorer. Hans nya rön, som fokuserar på en sfärisk sonds rörelser bland statiska nålar, har landat på omslaget till februaris The Journal of Physical Chemistry B .

Hernandez och hans tidigare Ph.D. studerande, Ashley Tucker, samlade de stavliknande spridarna i ett av två tillstånd under sina simuleringar:oordnad (isotropisk) och ordnad (nematisk). När nanoroderna var oordnade, pekar i olika riktningar, Hernandez fann att en partikel vanligtvis diffunderade jämnt i alla riktningar. När varje spö pekade åt samma håll, partikeln, i genomsnitt, diffunderade mer åt samma håll som stavarna än mot stavarnas korn. I detta nematiska tillstånd, sondens rörelse efterliknade spridarnas långsträckta form. Överraskningen var att partiklarna ibland diffunderade snabbare i den nematiska miljön än i den oordnade miljön. Det är, kanalerna som lämnas öppna mellan de ordnade nanoroderna styr inte bara nanopartiklar längs en riktning, de gör det också möjligt för dem att snabba igenom.

När tätheten av spridarna ökar, kanalerna blir mer och mer trånga. Partikeln som diffunderar genom dessa allt mer trånga sammansättningar saktar ner dramatiskt i simuleringen. Ändå, forskarna fann att de nematiska spridarna fortsatte att ta emot snabbare diffusion än oordnade spridare.

"Dessa simuleringar tar oss ett steg närmare att skapa en nanorod-enhet som gör det möjligt för forskare att kontrollera flödet av nanopartiklar, ", sa Hernandez. "Blue-sky-tillämpningar av sådana enheter inkluderar skapandet av nya ljusmönster, informationsflöde och andra mikroskopiska triggers."

Till exempel, om forskare behöver en sond för att diffundera i en specifik riktning med en viss hastighet, de kan få nanoroderna att röra sig i en specificerad riktning. När de behöver ändra partikelns riktning, spridare kan sedan triggas att ordna om i en annan riktning. Verkligen, triggern kan vara frånvaron av tillräckligt med nanopartiklar i en given del av enheten. Den efterföljande omordningen av nanoroderna skulle sedan driva en återpopulation av nanopartiklar som sedan skulle vara tillgängliga för att utföra en önskad åtgärd, för att stimulera ljusflödet.

"Medan detta NSF-finansierade arbete för att bättre förstå partiklars rörelse inom komplexa arrayer på nanoskala är mycket grundläggande, " Hernandez säger, "det har betydande långsiktiga konsekvenser för enhetstillverkning och prestanda i sådana skalor. Det är roligt att tänka på och ger bra utbildning för mina elever."