Panagiotis Grammatikopoulos i OIST Nanoparticles by Design Unit simulerar interaktionen mellan partiklar som är för små för att se, och för komplicerat att visualisera. För att studera partiklarnas beteende, han använder en teknik som kallas molekylär dynamik. Det betyder att varje biljonedel av en sekund, han beräknar platsen för varje enskild atom i partikeln utifrån var den är och vilka krafter som gäller. Han använder ett datorprogram för att göra beräkningarna, och animerar sedan atomernas rörelse med hjälp av visualiseringsprogram. Den resulterande animationen belyser vad som händer, atom för atom, när två nanopartiklar kolliderar.
Grammatikopoulos kallar detta ett virtuellt experiment. Han vet hur atomerna i hans startnanopartiklar ser ut. Han vet att deras rörelse följer den newtonska fysikens lagar. Hans kollegor har sett hur de resulterande partiklarna ser ut efter kollisionsexperiment. När hans simulering är klar, Grammatikopoulos jämför sina slutprodukter med sina kollegor för att kontrollera hans noggrannhet.
Grammatikopoulos senast simulerade hur palladium nanopartiklar interagerar, publiceras i Vetenskapliga rapporter den 22 juli, 2014. Palladium är en dyr men mycket effektiv katalysator som sänker energin som krävs för att starta många kemiska reaktioner. Forskare kan göra palladium ännu mer effektivt genom att designa palladiumnanopartiklar, som använder samma massa palladium i mindre bitar, ökande yta. Ju mer yta en katalysator har, ju effektivare det är, eftersom det finns fler aktiva platser där element kan mötas och reaktioner kan uppstå.
Dock, att krympa ett material till bara några få nanometer kan ändra vissa av egenskaperna hos det materialet. Till exempel, alla nanopartiklar smälter vid kallare temperaturer än de normalt skulle göra, vilket förändrar vad som händer när två partiklar kolliderar. Vanligtvis, två partiklar kommer att kollidera och avge en liten mängd värme, men partiklarna förblir mer eller mindre desamma. Men när två nanopartiklar kolliderar, ibland smälter värmen som frigörs ytan av de två partiklarna, och de smälter ihop.
Grammatikopoulos simulerade palladiumnanopartiklar som kolliderar och smälter samman vid olika temperaturer. Han bestämde att varje gång partiklarna smälte samman, deras atomer skulle börja kristallisera till ordnade rader och plan. Vid högre temperaturer, partiklarna smälter samman till en homogen struktur. Vid lägre temperaturer, produkterna ser ut som klassiska snögubbar, med några delar som hade utkristalliserats med olika orienteringar.
"Simuleringen ger dig en förståelse för fysiska processer, sade Grammatikopoulos. Innan hans forskning, Grammatikopoulos kunde inte förklara varför alla palladiumnanopartiklar som hans labb skapade hade en kristallin struktur. Vidare, han märkte att många palladiumnanopartiklar växte utsprång, ger partiklarna en klumpig form. "Eftersom utskotten sticker ut, de binder lättare till andra molekyler, ", förklarade Grammatikopoulos. "Jag är inte säker än om det är fördelaktigt, men det påverkar definitivt de katalytiska egenskaperna."
Denna studie fastställer några grundregler och förklarar vissa egenskaper hos palladiumnanopartiklar. Att förstå dessa egenskaper kan hjälpa till att designa andra nanopartiklar av andra material som skulle konkurrera med palladiums förmåga som katalysator. Palladium spelar en roll i tusentals viktiga reaktioner, från att tillverka läkemedel till att skapa nya biobränslen. Till exempel, Professor Mukhles Sowwans Nanoparticles by Design Unit och Prof. Igor Goryanins enhet för biologiska system vid OIST arbetar med palladiumkatalyserade reaktioner för att förbättra effektiviteten hos mikrobiella bränsleceller. Bättre palladiumnanopartiklar kommer att driva denna forskning framåt.
"Vi måste förstå den grundläggande vetenskapen, " förklarade Sowwan, som är Grammatikopoulos rådgivare. Sowwan säger att området nanovetenskap bara börjar gå mot att tillämpa forskningen, eftersom det fortfarande finns så mycket att lära om nanopartiklars egenskaper. "Om du bygger något utan att förstå grunderna, "Sowwan sa, "du kommer inte att kunna förklara resultaten."
