Även om tidigare forskning visar att metallnanopartiklar har egenskaper användbara för olika biomedicinska tillämpningar, många mysterier kvarstår angående hur dessa små material bildas, inklusive de processer som genererar storleksvariationer. För att knäcka det här fallet, ett team av forskare vände sig till beräkningstekniker.

Leds av Leonid Zhigilei från University of Virginia (UVA), teamet använde Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCFs) 27-petaflop Titan superdator för att modellera interaktionerna mellan korta laserpulser och metallmål i atomär skala. Känd som laserablation, denna process involverar bestrålning av metaller med en laserstråle för att selektivt ta bort materiallager, som ändrar målets ytstruktur, eller morfologi, och genererar nanopartiklar.

Som en del av en bredare forskning om förhållandet mellan laserablation och generering av nanopartiklar, Zhigileis team tillbringade datortimmar som tjänats in genom programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) på att undersöka de mekanismer som är ansvariga för att bilda två distinkta populationer av nanopartiklar. Detta projekt fokuserade uteslutande på hur dessa processer manifesterar sig i flytande miljöer, bygger på tidigare forskning som studerat dem i ett vakuum.

För att bekräfta deras resultat, UVA-forskarna samarbetade med en forskargrupp från University of Duisburg-Essen, Tyskland. Under 2018, deras resultat publicerades i Nanoskala ; Tidskriftens baksida innehöll en laserablationsbild som OLCF-datavetaren Benjamin Hernandez skapade med SIGHT, ett anpassningsbart visualiseringsverktyg han utvecklat. OLCF är ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility som ligger vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Följer virtuella ledtrådar

För att skilja mellan källorna till nanopartiklar kategoriserade som små (mindre än 10 nanometer) och stora (10 eller fler nanometer), teamet körde en serie simuleringar av molekylär dynamik på Titan, som modellerade silver- och guldmål i vatten bestrålat med laserablation.

"Dessa metaller är stabila, inert, och inte reagerar aktivt med den omgivande miljön, " sade Zhigilei. "Dessutom, silver har användbara antibakteriella egenskaper."

Simuleringsresultaten indikerade att det är mer sannolikt att små nanopartiklar bildas från kondensation av metallånga som snabbt kyls ned genom dess interaktion med vattenånga, medan stora kan uppstå när hydrodynamiska instabiliteter, som är instabila flöden av en vätska genom en annan vätska med en annan densitet, få metallen att sönderfalla.

Under ablation, laserpulser överhettar en del av metallmålets yta, vilket leder till en explosiv nedbrytning av det området till en blandning av ånga och små vätskedroppar. Denna heta blandning kastas sedan ut från det bestrålade målet, bildar den så kallade ablationsplymen. Känd som fasexplosion eller "explosiv kokning, "Detta fenomen har studerats omfattande för laserablation i vakuum.

Dock, när ablation sker i en flytande miljö, interaktionen mellan ablationsplymen och det omgivande vattnet komplicerar processen genom att bromsa ablationsplymen, vilket leder till att det bildas ett hett metallskikt som trycker mot vattnet.

Denna dynamiska interaktion kan utlösa en snabb följd av hydrodynamiska instabiliteter i det smälta metallskiktet, får det att helt eller delvis sönderfalla och producera stora nanopartiklar. En välkänd nyhet illustrerar detta beteende.

"När du först tänder en lavalampa, den tunga vätskan sitter ovanpå den lätta vätskan, men sedan börjar det flöda under inverkan av gravitationsacceleration och skapar några intressanta flödesmönster och partikelbildning, "Sade Zhigilei. "Något liknande händer med laserablation - det tunga lagret av het metall bromsas snabbt av vatten, som producerar hydrodynamiska instabiliteter vid metall-vatten-gränssnittet som genererar stora nanopartiklar."

Teamet observerade individuella atomers rörelser för att extrapolera användbar information om båda vägarna till nanopartikelgenerering.

"Vi var tvungna att snabbt svänga från atomer på en skala av mindre än en nanometer till hundratals nanometer, som krävde att lösa ekvationer för hundratals miljoner atomer i våra simuleringar, ", sade Zhigilei. "Denna typ av arbete är bara möjligt på stora superdatorer som Titan."

Båda processerna som leder till generering av nanopartiklar äger rum i en övergående "reaktionskammare" känd som kavitationsbubblan, som är ett resultat av interaktionen mellan den heta ablationsplymen och den flytande miljön. Genom att studera bubblans livstid från början till slut, forskare kan identifiera vilka typer av nanopartiklar som dyker upp i vissa skeden.

"Att bestråla ett metallmål i vatten med laserpulser skapar en het miljö som leder till formationen, expansion, och kollaps av en stor bubbla som liknar de som skapas av konventionell kokning, "Alla nanopartikelgenereringsprocesser sker antingen i bubblan eller i gränsytan mellan ablationsplymen och bubblans yta."

Kompletterande avbildningsexperiment utförda vid Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) bekräftade lagets beräkningsfynd genom att avslöja förekomsten av mindre mikrobubblor som innehåller nanopartiklar som bildades runt den huvudsakliga kavitationsbubblan.

CENIDE-forskarna gjorde också videor som visar produktionen av guldnanopartiklar och visar ett guldmål nedsänkt i en flytande ablationskammare.

En plan för förbättringar

Forskare har traditionellt förlitat sig på syntestekniker för att effektivt producera nanopartiklar genom en sekvens av kemiska reaktioner. Även om denna process möjliggör exakt kontroll över nanopartikelstorleken, kemisk kontaminering kan hindra de resulterande materialen från att fungera korrekt. Laserablation undviker denna fallgrop genom att generera överlägsen, rena nanopartiklar samtidigt som du subtilt formar metall till mer lämpliga konfigurationer.

"Laserarblation skapar en helt ren kolloidal lösning av nanopartiklar utan att använda några andra kemikalier, och dessa orörda material är idealiska för biomedicinska tillämpningar, ", sade Zhigilei. "Resultaten av våra beräkningar kan hjälpa till att skala upp denna process och förbättra produktiviteten så att ablation så småningom kan konkurrera med kemisk syntes när det gäller antalet producerade nanopartiklar."

Att hitta källan till storleksskillnaden banar väg för en framtid där forskare kan optimera laserablation för att kontrollera storleken på rena nanopartiklar, göra dem billigare och mer lättillgängliga för potentiella biomedicinska ändamål som att selektivt döda cancerceller.

Denna prestation exemplifierar också fördelarna med laserteknik samtidigt som man tar steg för att avslöja de grundläggande faktorerna som påverkar resultatet av interaktioner mellan en laserpuls och en metall. Denna kunskap kan leda till stora framsteg i teamets nanopartikelforskning, såväl som framsteg inom laserablation och relaterade tekniker, vilket i sin tur skulle möjliggöra en mer exakt tolkning av befintliga data.

Cheng-Yu Shih, huvudförfattare till uppsatsen Nanoscale och en nyutexaminerad UVA, arbetar nu med att kombinera modellering med experimentella studier för att ytterligare utforska hur olika metaller genererar nanopartiklar som svar på laserablation.

Zhigilei hoppas att forskningen ska resultera i ett genombrott som tar bort behovet av den tråkiga uppgiften att sortera små och stora nanopartiklar.