(Phys.org) – Individuella silvernanopartiklar i lösningar växer vanligtvis genom en atomfästning, men viktigast av allt, när de når en viss storlek kan de länka till andra partiklar, enligt forskare vid Pacific Northwest National Laboratory, University of California, Davis, och Florida State University. Detta till synes enkla resultat har förändrat ett långvarigt vetenskapligt paradigm som inte tog hänsyn till kinetiska modeller när man förklarade hur nanopartikelensembler bildades.

Konventionella metoder har antingen 1) varit begränsade till "post-mortem"-analys långt efter att tillväxten avtagit, 2) "körsbärsplockade" partiklarna som undersöks, missar därmed implikationerna i mesoskala, eller 3) analyserade endast populationsgenomsnittet och missade de individuella partikelvarianserna. Nu, genom att beakta kinetiken för den genomsnittliga tillväxthastigheten och fördelningen av partikelstorlekar, teamet förklarar varför forskare ser vad de ser när nanopartikelensembler bildas via icke-klassiska mekanismer.

"Lagets resultat kastar ljus över tidigare oförklarade observationer av aggregerad nanopartikeltillväxt, " sa Dr Louis Terminello, som leder Chemical Imaging Initiative vid PNNL, som finansierade mycket av arbetet. "En sådan förståelse av mesoskala interaktioner ger mer precision i materialsyntes, för oss närmare skräddarsydda material för katalys, energilagring, och andra användningsområden."

antingen lagra förnybar energi för senare användning eller designa batterier som håller längre för eldrivna fordon, många av dagens energiproblem kommer inte att lösas med dagens material. Nya material behövs. Nyckeln till att undvika tidskrävande trial-and-error-forskning är att noggrant kontrollera nanopartikeltillväxten för att bygga de material som behövs, från botten och upp. Denna studie ger viktig information om nano-ensembler som odlats av icke-klassiska mekanismer, inklusive aggregering och koalescens.

Sedan början av 1960-talet, forskare har tolkat nanopartikeltillväxt kvantitativt med hjälp av en modell som heter Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Denna modell behandlar upplösningen av små kristaller och avsättning av det lösta materialet på större - en process som kallas Ostwald-mognad. Men tills nu, liten uppmärksamhet har ägnats åt att modellera motsvarande partikelstorleksfördelning - en global egenskap som ofta dikterar viktiga funktionella egenskaper, såsom katalytisk aktivitet.

"På atomär skala, Ostwald-mognad passar den observerade tillväxten. Men på mesoskalan, vi behöver veta mer om partikelstorleksfördelning, " sa Dr Nigel Browning, Chief Science Officer för Chemical Imaging Initiative och ledare för detta projekt.

Forskarna använde in situ vätskeskanningstransmissionselektronmikroskopi för att växa och direkt observera silvernanopartikelensembler. Teamet fann att den kinetiska modellen för Smoluchowski-aggregation kvantitativt matchade medeltillväxthastigheten och partikelstorleksfördelningen för ensemblen. Forskarna använde också en algoritm skapad av Dr. Chiwoo Park i Florida State för att fånga alla partiklar och analysera all data, ytterligare en skillnad från tidigare metoder.

"Med det kombinerade avbildnings- och analytiska tillvägagångssättet, vi kan kartlägga den fullständiga partikelstorleksfördelningen, och se hur den ena mekanismen tar över från den andra, sa Browning.

Även om den genomsnittliga tillväxthastigheten som observerades under tillväxtexperimenten in situ överensstämde med LSW-modellen och antydde att Ostwald-mognad var den dominerande tillväxtmekanismen, Smoluchowski-modellen visade att medeltillväxthastigheten i ensembleskala är ~20% högre än för icke-aggregerande nanopartiklar. Motsvarande partikelstorleksfördelning är bredare och mer symmetrisk (se figur) än den som förutspåtts av Ostwald-mognaden i LSW. Och, det överensstämmer mer med experimentdata. Teamets resultat tyder på att partiklarna måste nå en viss storlek innan de kan växa till större ensembler.

"Våra resultat belyser verkligen behovet av att fältet beaktar både klassiska och icke-klassiska tillväxtmekanismer när man försöker förstå och i slutändan kontrollera de slutliga egenskaperna hos nanopartiklar, " sa Dr James Evans, en medförfattare och forskare inom Miljömolekylärvetenskapliga laboratoriet.

Denna studie är ett första steg för att tillåta forskare att exakt förutsäga och ställa in nanopartikelstorleksfördelningar i synteser i labbskala baserat på fysikaliska teorier och empiriska observationer. Teamet kommer att fortsätta att svara på grundläggande frågor om mesoskala fenomen.