En digital rekonstruktion visar hur atomer i en nanopartikel med kristallfacetter reagerar när den nanopartikeln kolliderar med en annan av liknande form och storlek i ett vakuum. Atomerna blir blå när de är i kontakt med den motsatta nanopartikeln, som inte visas. I en ny studie, sådana rekonstruktioner hjälpte till att avslöja att nanopartiklar med kristallfasett är bättre på att överföra energi under kollisioner än nanopartiklar med en mer sfärisk form. Kredit:Yoichi Takato
Hjälmar som gör ett bättre jobb för att förebygga hjärnskakning och andra hjärnskador. Hörlurar som skyddar människor från skadliga ljud. Enheter som omvandlar "skräp" energi från flygplatsens start- och landningsbana vibrationer till användbar kraft.
Ny forskning om de händelser som inträffar när små prickar av materia som kallas nanopartiklar krossar i varandra kan en dag informera om utvecklingen av sådan teknik.
Använda superdatorer, forskare ledda av universitetet i Buffalo modellerade vad som händer när två nanopartiklar kolliderar i ett vakuum. Teamet körde simuleringar för nanopartiklar med tre olika ytgeometrier:de som till stor del är cirkulära (med slät exteriör); de med kristallfasetter; och de som har skarpa kanter.
"Vårt mål var att lägga ut de krafter som styr energitransporten på nanoskala, " säger studiens medförfattare Surajit Sen, Doktorsexamen, professor i fysik vid UB:s högskola för konst och vetenskap. "När du har en liten partikel som är 10, 20 eller 50 atomer tvärs över, beter den sig fortfarande på samma sätt som större partiklar, eller spannmål? Det är magkänslan i frågan vi ställde."
"Svarets magkänsla, Sen tillägger, "är ja och nej."
"Vår forskning är användbar eftersom den lägger grunden för att designa material som antingen överför eller absorberar energi på önskade sätt, " säger första författaren Yoichi Takato, PhD. Takato, en fysiker vid AGC Asahi Glass och tidigare postdoktor vid Okinawa Institute of Science and Technology i Japan, genomfört en stor del av studien som doktorand i fysik vid UB. "Till exempel, du kan potentiellt göra ett ultratunt material som är energiabsorberande. Du kan tänka dig att detta skulle vara praktiskt att använda i hjälmar och huvudutrustning som kan hjälpa till att förebygga huvud- och stridsskador."
En illustration visar tvärsnitt av två till stor del sfäriska nanopartiklar före och efter att de kolliderade med 31 meter per sekund i en datorsimulering. Individuella atomer i partiklarna avbildas som små prickar. Forskare som studerar nanopartikelkollisioner genererade bilder som dessa för många olika kraschtyper, som de som involverar olika hastigheter och olika nanopartikelformer. Kredit:Yoichi Takato
Studien publicerades den 21 mars i Proceedings of the Royal Society A av Takato, Sen och Michael E. Benson, som slutfört sin del av arbetet som fysikstudent vid UB. Forskarna körde sina simuleringar vid Center for Computational Research, UB:s akademiska superdatoranläggning.
Ytterligare multimedia är inte tillgänglig via EurekAlert! finns på http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html.
Vad händer när nanopartiklar kraschar
Den nya forskningen fokuserade på små nanopartiklar - de med diametrar på 5 till 15 nanometer. Forskarna fann att vid kollisioner, partiklar av denna storlek beter sig olika beroende på deras form.
Till exempel, nanopartiklar med kristallfasetter överför energi väl när de kraschar in i varandra, vilket gör dem till en idealisk komponent i material som är utformade för att skörda energi. När det gäller energitransporter, dessa partiklar ansluter sig till vetenskapliga normer som styr makroskopiska linjära system – inklusive kedjor av lika stora massor med fjädrar emellan dem – som är synliga för blotta ögat.
I kontrast, nanopartiklar som är rundare till formen, med amorfa ytor, följa icke-linjära kraftlagar. Detta, i tur och ordning, betyder att de kan vara särskilt användbara för att lindra chock. När två sfäriska nanopartiklar kolliderar, energi försvinner runt den första kontaktpunkten på var och en istället för att sprida sig hela vägen genom båda. Forskarna rapporterar att vid krockhastigheter på cirka 30 meter per sekund, atomer inom varje partikel skiftar endast nära den första kontaktpunkten.
Nanopartiklar med skarpa kanter är mindre förutsägbara:Enligt den nya studien, deras beteende varierar beroende på skärpan på kanterna när det gäller att transportera energi.
En digital rekonstruktion visar hur atomer i en i stort sett sfärisk nanopartikel reagerar när denna nanopartikel kolliderar med en annan med liknande form och storlek i ett vakuum. Atomerna blir blå när de är i kontakt med den motsatta nanopartikeln, som inte visas. I en ny studie, sådana rekonstruktioner hjälpte till att avslöja att i stort sett sfäriska nanopartiklar är bättre på att absorbera energi vid kollisioner än nanopartiklar med kristallfasetter. Kredit:Yoichi Takato
Designa en ny generation av material
"Ur ett mycket brett perspektiv, den typ av arbete vi gör har mycket spännande framtidsutsikter, " Sen säger. "Det ger ingenjörer grundläggande information om nanopartiklar som de inte hade tidigare. Om du designar en ny typ av nanopartiklar, du kan nu tänka på att göra det på ett sätt som tar hänsyn till vad som händer när du har väldigt små nanopartiklar som interagerar med varandra."
Även om många forskare arbetar med nanoteknik, hur de minsta nanopartiklar beter sig när de kraschar in i varandra är till stor del en öppen fråga, säger Takato.
"När du designar ett material, vilken storlek vill du att nanopartikeln ska ha? Hur kommer du att lägga ut partiklarna i materialet? Hur kompakt vill du att den ska vara? Vår studie kan informera om dessa beslut, " säger Takato.
