Автор AZoNano 20 ноября 2020 г.

В Университете Дьюка материаловеды разработали простой метод вычисления сил притяжения, которые позволяют наночастицам самостоятельно собираться в более крупные структуры.

Эта последняя модель, оснащенная графическим пользовательским интерфейсом, демонстрирующим ее возможности, позволит ученым делать прогнозы о том, как различные формы наночастиц будут взаимодействовать друг с другом – подвиг, который раньше был невозможен.

Новый метод предоставляет новые возможности для рационального развития этих частиц для множества применений, от запуска каталитических реакций до использования солнечной энергии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nanoscale Horizons 12 ноября 2020 года.

Граненые наночастицы могут приводить к новому поведению сборки, которое ранее не исследовалось. Кубики, призмы, стержни и т. Д. – все они демонстрируют различные межчастичные взаимодействия, зависящие от расстояния и ориентации, которые можно использовать для создания уникальных сборок частиц, которые невозможно получить путем самосборки сферических частиц .

Брайан Хён Чжон Ли, первый автор исследования, аспирант в области машиностроения и материаловедения, Университет Дьюка

Гаурав Арья, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, добавил: « Каждый раз, просматривая последний набор опубликованных статей по нанотехнологиям, я вижу какое-то новое применение этих типов наночастиц. Но точное вычисление сил, которые сближают эти частицы на очень близком расстоянии, чрезвычайно затратно с точки зрения вычислений. »

Арья продолжил: « Теперь мы продемонстрировали подход, который ускоряет эти вычисления в миллионы раз, при этом лишь немного теряя точность ».

Рабочие силы между наночастицами называются силами Ван-дер-Ваальса. Такие силы вызываются небольшими, мимолетными изменениями плотности электронов, вращающих атомы в соответствии со сложными законами квантовой физики.

Хотя такие силы слабее по сравнению с другими межмолекулярными взаимодействиями, такими как водородные связи и кулоновские силы, они распространены и действуют между всеми атомами, обычно управляя результирующим взаимодействием, которое происходит между частицами.

Чтобы точно учесть эти силы Ван-дер-Ваальса между частицами, важно вычислить эти силы, которые действуют всеми атомами в частице на все атомы в соседней частице. Даже если бы обе частицы-мишени были крошечными кубиками размером менее 10 нм, количество вычислений, суммирующих эти межатомные взаимодействия, было бы в диапазоне десятков миллионов.

Легко понять, почему попытки делать это неоднократно для множества частиц в различной ориентации и расположенных в разных положениях в многочастичном моделировании быстро становятся невозможными.

Было проделано много работы, чтобы сформулировать суммирование, которое приближается к аналитическому решению. Некоторые подходы рассматривают частицы как состоящие из бесконечно малых кубиков, склеенных вместе. Другие пытаются заполнить пространство бесконечно тонкими круглыми кольцами .

Гаурав Арья, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, Университет Дьюка

Арья продолжил: « Хотя эти стратегии дискретизации объема позволили исследователям получить аналитические решения для взаимодействий между простыми геометриями частиц, такими как параллельные плоские поверхности или сферические частицы, такие стратегии не могут использоваться для упрощения взаимодействий между фасеточными частицами из-за к их более сложной геометрии . »

Чтобы решить эту проблему, Ли и Арья использовали другой метод, сделав ряд упрощений. На начальном этапе команда продемонстрировала, что вместо кубических элементов частица состоит из стержневых элементов разной длины, расположенных вместе.

Модель впоследствии предполагает, что стержни, выступы которых выходят за пределы расчетной границы другой частицы, вносят незначительный вклад в общую энергию взаимодействия. Остальные стержни вносят энергию, которая, как также считается, уравновешивает энергии стержней одинаковой длины. Эти стержни расположены на том же обычном расстоянии, что и настоящие стержни, но с нулевым боковым смещением.

Окончательный трюк состоит в том, чтобы аппроксимировать зависимость энергии между стержнем и частицей от расстояния с помощью степенных функций. Эти функции имеют решения в замкнутой форме, особенно когда расстояния линейно различаются с поперечным расположением реальных стержней, как в случае с плоскими взаимодействующими поверхностями граненых частиц.

После того, как все эти упрощения сделаны, аналитические решения, предназначенные для межчастичных энергий, могут быть достигнуты, позволяя компьютеру проходить через них. Хотя может показаться, что эти решения вносят значительный объем ошибок, команда отметила, что результаты были всего на 8% ниже реального решения для всех конфигураций частиц и всего на 25% в худшем случае.

Хотя исследователи в основном использовали для своих исследований кубы, они отметили, что этот метод также работает с квадратными пирамидами, квадратными стержнями и треугольными призмами.

В зависимости от материала и формы наночастиц новый метод моделирования может повлиять на множество полей. Например, золотые или серебряные нанокубы с границами, проксимальными друг к другу, могут использовать и направлять свет в мельчайшие «горячие точки». Это может предоставить возможность для катализирования химических реакций или для разработки более совершенных сенсоров.

Это первый случай, когда кто-либо предложил аналитическую модель ван-дер-ваальсовых взаимодействий между фасетными частицами. Несмотря на то, что нам еще предстоит применить ее для вычисления межчастичных сил или энергии в рамках молекулярной динамики или моделирования сборки частиц методом Монте-Карло мы ожидаем, что эта модель ускорит такое моделирование на целых десять порядков ].

Гаурав Арья, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, Университет Дьюка

Исследование финансировалось Национальным научным фондом (награда CMMI 1636356, ACI-1053575).

Ссылка на журнал:

Ли, Б. Х.-Дж., (2020) Аналитический потенциал ван-дер-ваальсового взаимодействия для граненых наночастиц. Наноразмерные горизонты . doi.org/10.1039/d0nh00526f.

Источник: https://pratt.duke.edu/[19459008visible