Forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory har avslöjat tidigare oobserverade beteenden som visar hur detaljer om värmeöverföringen på nanoskala får nanopartiklar att ändra form i ensembler.

De nya rönen skildrar tre olika stadier av evolution i grupper av guld nanorods, från den initiala stavformen till den mellanliggande formen till en sfärformad nanopartikel. Forskningen föreslår nya regler för beteendet hos nanorod-ensembler, ger insikter i hur man kan öka värmeöverföringseffektiviteten i ett system i nanoskala.

På nanoskala, individuella guld nanorods har unika elektroniska, termiska och optiska egenskaper. Att förstå dessa egenskaper och hantera hur samlingar av dessa långsträckta nanopartiklar absorberar och släpper ut denna energi som värme kommer att driva ny forskning mot nästa generations teknik som vattenreningssystem, batterimaterial och cancerforskning.

En hel del är känt om hur enstaka nanorods beter sig - men lite är känt om hur nanorods beter sig i ensembler av miljoner. Förstå hur det individuella beteendet för varje nanorod, inklusive hur dess orientering och övergångshastighet skiljer sig från dem runt omkring, påverkar ensemblens kollektiva kinetik och är avgörande för att använda nanoroder i framtida teknik.

"Vi började med många frågor, " sa Argonne-fysikern Yuelin Li, "som "Hur mycket kraft kan partiklarna upprätthålla innan de förlorar funktionalitet? Hur påverkar individuella förändringar på nanoskala den övergripande funktionaliteten? Hur mycket värme släpps ut till det omgivande området?" Varje nanorod genomgår kontinuerligt en förändring i form när den värms upp över smälttemperatur, vilket innebär en förändring av ytan och därmed en förändring av dess termiska och hydrodynamiska egenskaper."

Forskarna använde en laser för att värma nanopartiklarna och röntgenstrålar för att analysera deras förändrade former. Rent generellt, nanorods övergår till nanosfärer snabbare när de förses med en högre intensitet av laserkraft. I detta fall, helt olika ensemblebeteenden observerades när denna intensitet ökade stegvis. Intensiteten på den värme som appliceras ändrar inte bara nanopartiklarnas form i olika hastigheter utan påverkar också deras förmåga att effektivt absorbera och frigöra värme.

"För oss, nyckeln var att förstå hur effektiva nanoroderna var på att överföra ljus till värme i många olika scenarier, " sa nanoforskaren Subramanian Sankaranarayanan från Argonnes Center for Nanoscale Materials. "Då var vi tvungna att bestämma fysiken bakom hur värme överfördes och alla olika sätt som dessa nanorods kunde övergå till nanosfärer."

För att observera hur staven gör denna övergång, forskare lyser först en laserpuls vid nanoroden i en vattenlösning vid Argonnes Advanced Photon Source. Lasern varar i mindre än hundra femtosekunder, nästan en biljon gånger snabbare än en blinkning med ögat. Vad som följer är en serie fokuserade och snabba röntgenskurar med en teknik som kallas röntgenspridning med liten vinkel. De resulterande data används för att bestämma den genomsnittliga formen på partikeln när den förändras över tiden.

På det här sättet, forskare kan rekonstruera de små förändringar som sker i formen av nanoroden. Dock, att förstå fysiken som ligger bakom detta fenomen, forskarna behövde titta djupare på hur enskilda atomer vibrerar och rör sig under övergången. För detta, de vände sig till området molekylär dynamik med hjälp av superdatorkraften hos Mira-superdatorn med 10 petaflop vid Argonne Leadership Computing Facility.

Mira använde matematiska ekvationer för att peka ut de individuella rörelserna för nästan två miljoner av nanorodernas atomer i vattnet. Med hjälp av faktorer som formen, temperatur och förändringshastighet, forskarna byggde simuleringar av nanoroden i många olika scenarier för att se hur strukturen förändras över tiden.

"I slutet, "sa Sankaranarayanan, "vi upptäckte att värmeöverföringshastigheterna för kortare men bredare nanosfärer är lägre än för deras stavformade föregångare. Denna minskning av värmeöverföringseffektiviteten på nanoskala spelar en nyckelroll för att påskynda övergången från stav till sfär när den värms upp över smälttemperaturen. "