Schema för transport och aggregering av böhmit-nanoplättar. Kryogen transmissionselektronmikroskopi visar trombocytstaplar som riktar in sig och smälter samman till enkristaller. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
Partiklar i lösning kan växa, transport, kollidera, påverka varandra, och aggregeras till komplexa former och strukturer. Att förutsäga resultatet av dessa händelser är mycket utmanande, speciellt för oregelbundet formade partiklar under extrema lösningsförhållanden. Ny forskning från forskare vid Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) Energy Frontier Research Center har funnit att nanoblodplättar av aluminiumoxihydroxid (boehmit) riktas in och fäster för att bilda prydligt ordnade staplar, ett nytt resultat som involverade både experimentell och beräkningsforskning.
Arbetet, ledd av Pacific Northwest National Laboratory-forskare i samarbete med forskare vid Washington State University och Oak Ridge National Laboratory, var med i ACS Nano i en tidning med titeln, "Inverkan av lösningskemi och partikelanisotropi på den kollektiva dynamiken av orienterad aggregation."
Studien ger nyckeldetaljer om strukturen och dynamiken hos böhmitplättar i saltlösningar vid högt pH, förhållanden som är relevanta för högaktivt radioaktivt avfall som det som finns vid kärnkraftsanläggningen i Hanford.
När nanokristallstaplar placerades i saltlösningar vid högt pH, de aggregerade snabbt till större mikrostrukturer. Dessa blodplättsstaplar aggregeras ytterligare med hastigheter som ökar med pH och [NaNO 3 ], övergång från reaktionsbegränsade till diffusionsbegränsade regimer. För att hjälpa till att förklara detta beteende, vi beräknade transportegenskaperna för nanotrombocyter, speciellt deras roterande och translationella rörelsesätt. Beräkningar av translationella/rotationsdiffusioner och kolloidala stabilitetsförhållanden visade vikten av att beakta oregelbundna partikelformer.
Monte Carlo-simuleringar kopplade formen på frönanopartiklarna till strukturen och tillväxtbeteendet hos de framväxande aggregaten. Dessutom, vi bestämde att blodplättar interagerar olika vid kanterna, ansikten, eller hörn, vilket komplicerar användningen av typiska modeller baserade på sfäriska partiklar. Dessa resultat är viktiga steg mot en prediktiv förståelse av nanopartikeltransport och aggregering som kommer att lösa problem inom geokemi, biologi, materialvetenskap, och vidare.
Dessa nya insikter om tillväxten, hopsättning, och aggregering för böhmit- och andra lagersystem av aluminium kommer att informera utvecklingen av prediktiva modeller som tillämpas på processkontrollsystem.
