(Phys.org) - Nanopartículas de prata individuais em soluções normalmente crescem por meio da fixação de um único átomo, mas o mais importante, quando atingem um certo tamanho, podem se ligar a outras partículas, de acordo com cientistas do Pacific Northwest National Laboratory, a Universidade da Califórnia, Davis, e a Florida State University. Este resultado aparentemente simples mudou um paradigma científico de longa data que não considerava os modelos cinéticos ao explicar como os conjuntos de nanopartículas se formavam.

Os métodos convencionais 1) foram limitados à análise "post-mortem" muito depois que o crescimento diminuiu, 2) "escolheu cereja" as partículas que estão sendo examinadas, faltando assim as implicações de mesoescala, ou 3) analisou apenas a média da população e perdeu as variâncias das partículas individuais. Agora, considerando a cinética da taxa média de crescimento e a distribuição dos tamanhos das partículas, a equipe explica por que os cientistas veem o que veem quando os conjuntos de nanopartículas se formam por meio de mecanismos não clássicos.

"As descobertas da equipe lançaram luz sobre observações anteriormente inexplicadas de crescimento agregativo de nanopartículas, "disse o Dr. Louis Terminello, que lidera a Chemical Imaging Initiative no PNNL, que financiou grande parte do trabalho. "Tal compreensão das interações de mesoescala fornece mais precisão na síntese de materiais, nos aproximando de materiais personalizados para catálise, armazenamento de energia, e outros usos. "

quer armazenar energia renovável para uso posterior ou projetar baterias mais duradouras para veículos elétricos, muitos dos problemas de energia de hoje não serão resolvidos com os materiais de hoje. Novos materiais são necessários. A chave para evitar pesquisas demoradas de tentativa e erro é controlar rigidamente o crescimento das nanopartículas para construir os materiais necessários, de baixo para cima. Este estudo fornece informações importantes sobre nano-conjuntos crescidos por mecanismos não clássicos, incluindo agregação e coalescência.

Desde o início dos anos 1960, os cientistas interpretaram o crescimento das nanopartículas quantitativamente usando um modelo chamado Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Este modelo aborda a dissolução de pequenos cristais e a deposição do material dissolvido em cristais maiores - um processo denominado amadurecimento de Ostwald. Mas até agora, pouca atenção foi dada à modelagem da distribuição de tamanho de partícula correspondente - uma propriedade global que muitas vezes dita propriedades funcionais importantes, como a atividade catalítica.

"Na escala atômica, O amadurecimento de Ostwald se ajusta ao crescimento observado. Mas na mesoescala, precisamos saber mais sobre a distribuição do tamanho das partículas, "disse o Dr. Nigel Browning, Diretor de Ciência da Chemical Imaging Initiative e líder deste projeto.

Os cientistas usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura líquida in situ para crescer e observar diretamente conjuntos de nanopartículas de prata. A equipe descobriu que o modelo cinético de agregação de Smoluchowski correspondia quantitativamente à taxa média de crescimento e à distribuição do tamanho de partícula do conjunto. Os pesquisadores também usaram um algoritmo criado pelo Dr. Chiwoo Park no estado da Flórida para capturar todas as partículas e analisar todos os dados, outra diferença dos métodos anteriores.

"Usando a imagem combinada e a abordagem analítica, podemos mapear a distribuição completa do tamanho das partículas, e ver como um mecanismo substitui o outro, "disse Browning.

Embora a taxa média de crescimento observada durante os experimentos de crescimento in situ fosse consistente com o modelo LSW e sugerisse que o amadurecimento de Ostwald era o mecanismo de crescimento dominante, o modelo de Smoluchowski mostrou que a taxa média de crescimento em escala de conjunto é ~ 20% maior do que para nanopartículas não agregadas. A distribuição de tamanho de partícula correspondente é mais ampla e mais simétrica (veja a figura) do que a prevista pelo amadurecimento de Ostwald no LSW. E, ele se aproxima mais dos dados experimentais. Os resultados da equipe sugerem que as partículas devem atingir um certo tamanho antes de serem capazes de crescer em conjuntos maiores.

"Nossos resultados realmente destacam a necessidade de o campo considerar os mecanismos de crescimento clássicos e não clássicos ao tentar compreender e, em última análise, controlar as características finais das nanopartículas, "disse o Dr. James Evans, coautor e cientista do Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais.

Este estudo é um primeiro passo para permitir aos pesquisadores prever e ajustar com precisão as distribuições de tamanho das nanopartículas em sínteses em escala de laboratório com base em teorias físicas e observações empíricas. A equipe continuará respondendo a questões fundamentais sobre fenômenos de mesoescala.