Uma reconstrução digital mostra como os átomos em uma nanopartícula com facetas de cristal reagem quando aquela nanopartícula colide com outra de formato e tamanho semelhantes no vácuo. Os átomos ficam azuis quando estão em contato com a nanopartícula oposta, que não é mostrado. Em um novo estudo, essas reconstruções ajudaram a revelar que as nanopartículas com facetas de cristal são melhores na transferência de energia durante as colisões do que as nanopartículas com uma forma mais esférica. Crédito:Yoichi Takato
Capacetes que fazem um trabalho melhor na prevenção de concussões e outras lesões cerebrais. Fones de ouvido que protegem as pessoas de ruídos prejudiciais. Dispositivos que convertem a energia "lixo" das vibrações da pista do aeroporto em energia utilizável.
Novas pesquisas sobre os eventos que ocorrem quando minúsculas partículas de matéria chamadas nanopartículas colidem umas com as outras podem um dia informar o desenvolvimento de tais tecnologias.
Usando supercomputadores, cientistas liderados pela Universidade de Buffalo modelaram o que acontece quando duas nanopartículas colidem no vácuo. A equipe fez simulações de nanopartículas com três geometrias de superfície diferentes:aquelas que são amplamente circulares (com exteriores lisos); aqueles com facetas de cristal; e aqueles que possuem bordas afiadas.
"Nosso objetivo era definir as forças que controlam o transporte de energia em nanoescala, "diz o co-autor do estudo Surajit Sen, PhD, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências da UB. "Quando você tem uma partícula minúscula de 10, 20 ou 50 átomos de diâmetro, ainda se comporta da mesma maneira que partículas maiores, ou grãos? Essa é a essência da pergunta que fizemos. "
"A coragem da resposta, "Sen acrescenta, "é sim e não."
"Nossa pesquisa é útil porque constrói a base para projetar materiais que transmitem ou absorvem energia das maneiras desejadas, "diz o primeiro autor Yoichi Takato, PhD. Takato, um físico da AGC Asahi Glass e ex-bolsista de pós-doutorado no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa no Japão, completou grande parte do estudo como candidato a doutorado em física na UB. "Por exemplo, você poderia potencialmente fazer um material ultrafino que seja absorvente de energia. Você pode imaginar que isso seria prático para uso em capacetes e acessórios para a cabeça que podem ajudar a prevenir ferimentos na cabeça e em combate. "
Uma ilustração mostra seções transversais de duas nanopartículas esféricas antes e depois de colidirem a 31 metros por segundo em uma simulação de computador. Os átomos individuais dentro das partículas são descritos como minúsculos pontos. Cientistas que estudam colisões de nanopartículas geraram imagens como essas para muitos tipos diferentes de acidentes, como aqueles que envolvem velocidades diferentes e formatos de nanopartículas diferentes. Crédito:Yoichi Takato
O estudo foi publicado em 21 de março em Anais da Royal Society A por Takato, Sen e Michael E. Benson, que completou sua parte do trabalho como aluno de graduação em física na UB. Os cientistas realizaram suas simulações no Centro de Pesquisa Computacional, Instalação de supercomputação acadêmica do UB.
Multimídia adicional não disponível no EurekAlert! pode ser encontrado em http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html.
O que acontece quando as nanopartículas caem
A nova pesquisa se concentrou em pequenas nanopartículas - aquelas com diâmetros de 5 a 15 nanômetros. Os cientistas descobriram que em colisões, partículas desse tamanho se comportam de maneira diferente dependendo de sua forma.
Por exemplo, nanopartículas com facetas de cristal transferem energia bem quando colidem umas com as outras, tornando-os um componente ideal de materiais projetados para coletar energia. Quando se trata de transporte de energia, essas partículas aderem às normas científicas que governam os sistemas lineares macroscópicos - incluindo cadeias de massas de tamanhos iguais com molas entre elas - que são visíveis a olho nu.
Em contraste, nanopartículas de formato redondo, com superfícies amorfas, aderir às leis de força não linear. Esse, por sua vez, significa que eles podem ser especialmente úteis para a mitigação de choques. Quando duas nanopartículas esféricas colidem, a energia se dissipa em torno do ponto inicial de contato em cada um, em vez de se propagar em ambos. Os cientistas relatam que a velocidades de colisão de cerca de 30 metros por segundo, os átomos dentro de cada partícula mudam apenas perto do ponto inicial de contato.
Nanopartículas com bordas afiadas são menos previsíveis:de acordo com o novo estudo, seu comportamento varia dependendo da nitidez das bordas quando se trata de transportar energia.
Uma reconstrução digital mostra como os átomos em uma nanopartícula amplamente esférica reagem quando essa nanopartícula colide com outra de formato e tamanho semelhantes no vácuo. Os átomos ficam azuis quando estão em contato com a nanopartícula oposta, que não é mostrado. Em um novo estudo, essas reconstruções ajudaram a revelar que as nanopartículas esféricas são melhores na absorção de energia durante as colisões do que as nanopartículas com facetas de cristal. Crédito:Yoichi Takato
Projetando uma nova geração de materiais
"De uma perspectiva muito ampla, o tipo de trabalho que estamos fazendo tem perspectivas muito interessantes, "Sen diz." Dá aos engenheiros informações fundamentais sobre as nanopartículas que eles não tinham antes. Se você estiver projetando um novo tipo de nanopartícula, agora você pode pensar em fazer isso de uma forma que leve em consideração o que acontece quando você tem nanopartículas muito pequenas interagindo umas com as outras. "
Embora muitos cientistas estejam trabalhando com nanotecnologia, a forma como a menor das nanopartículas se comporta quando colidem é uma questão em aberto, Diz Takato.
"Quando você está projetando um material, que tamanho você quer que a nanopartícula tenha? Como você distribuirá as partículas dentro do material? Quão compacto você quer que seja? Nosso estudo pode informar essas decisões, "Diz Takato.
