Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA revelaram comportamentos não observados anteriormente que mostram como os detalhes da transferência de calor em nanoescala fazem com que as nanopartículas mudem de forma nos conjuntos.

As novas descobertas descrevem três estágios distintos de evolução em grupos de nanobastões de ouro, da forma de haste inicial para a forma intermediária para uma nanopartícula em forma de esfera. A pesquisa sugere novas regras para o comportamento de conjuntos de nanorods, fornecendo insights sobre como aumentar a eficiência da transferência de calor em um sistema em nanoescala.

Na nanoescala, nanobastões de ouro individuais têm eletrônicos exclusivos, propriedades térmicas e ópticas. Compreender essas propriedades e gerenciar como as coleções dessas nanopartículas alongadas absorvem e liberam essa energia à medida que o calor conduzirá novas pesquisas para tecnologias de próxima geração, como sistemas de purificação de água, materiais de bateria e pesquisa de câncer.

Muito se sabe sobre como os nanobastões se comportam - mas pouco se sabe sobre como os nanobastões se comportam em conjuntos de milhões. Compreender como o comportamento individual de cada nanorod, incluindo como sua orientação e taxa de transição diferem daquelas ao seu redor, impacta a cinética coletiva do conjunto e é fundamental para o uso de nanobastões em tecnologias futuras.

"Começamos com muitas perguntas, "disse o físico de Argonne Yuelin Li, "como 'Quanta energia as partículas podem sustentar antes de perder a funcionalidade? Como as mudanças individuais em nanoescala afetam a funcionalidade geral? Quanto calor é liberado para a área circundante?' Cada nanorod está continuamente passando por uma mudança de forma quando aquecido além da temperatura de fusão, o que significa uma mudança na área de superfície e, portanto, uma mudança em suas propriedades térmicas e hidrodinâmicas. "

Os pesquisadores usaram um laser para aquecer as nanopartículas e raios-X para analisar suas formas mutáveis. Geralmente, os nanobastões transitam em nanoesferas mais rapidamente quando fornecidos com uma intensidade maior de potência do laser. Nesse caso, comportamentos de conjunto completamente diferentes foram observados quando essa intensidade aumentou gradativamente. A intensidade do calor aplicado muda não apenas a forma das nanopartículas em várias taxas, mas também afeta sua capacidade de absorver e liberar calor com eficiência.

"Para nós, a chave era entender o quão eficientes os nanobastões eram na transferência de luz em calor em muitos cenários diferentes, "disse o nanocientista Subramanian Sankaranarayanan, do Centro de Materiais em nanoescala de Argonne." Então, tivemos que determinar a física por trás de como o calor era transferido e todas as diferentes maneiras como esses nanobastões poderiam fazer a transição para nanoesferas. "

Para observar como a haste faz essa transição, os pesquisadores primeiro projetam um pulso de laser no nanobastão suspenso em uma solução de água na Fonte Avançada de Fótons de Argonne. O laser dura menos de cem femtossegundos, quase um trilhão de vezes mais rápido do que um piscar de olhos. O que se segue é uma série de rajadas de raios-X focadas e rápidas usando uma técnica chamada espalhamento de raios-X de pequeno ângulo. Os dados resultantes são usados ​​para determinar a forma média da partícula conforme ela muda ao longo do tempo.

Desta maneira, os cientistas podem reconstruir as mudanças mínimas que ocorrem na forma do nanorod. Contudo, para entender a física subjacente a este fenômeno, os pesquisadores precisavam olhar mais profundamente como os átomos individuais vibram e se movem durante a transição. Por esta, eles se voltaram para o campo da dinâmica molecular usando o poder de supercomputação do supercomputador Mira de 10 petaflop no Argonne Leadership Computing Facility.

Mira usou equações matemáticas para localizar os movimentos individuais de quase dois milhões de átomos dos nanobastões na água. Usando fatores como a forma, temperatura e taxa de mudança, os pesquisadores construíram simulações do nanorod em muitos cenários diferentes para ver como a estrutura muda ao longo do tempo.

"No fim, "disse Sankaranarayanan, "descobrimos que as taxas de transferência de calor para nanoesferas mais curtas, porém mais largas, são menores do que para seus predecessores em forma de bastonete. Esta diminuição na eficiência de transferência de calor em nanoescala desempenha um papel fundamental na aceleração da transição de haste para esfera quando aquecida além da temperatura de fusão. "