Esquema de transporte e agregação de nanoplacas de boehmite. A microscopia eletrônica de transmissão criogênica mostra pilhas de plaquetas que se alinham e se fundem em cristais únicos. Crédito:Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais
Partículas em solução podem crescer, transporte, colidir, interagir, e agregar em formas e estruturas complexas. Prever o resultado desses eventos é muito desafiador, especialmente para partículas de formato irregular em condições extremas de solução. Uma nova pesquisa de cientistas do Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia de Dinâmica Interfacial em Ambientes e Materiais Radioativos (IDREAM) descobriu que as nanoplacas de oxihidróxido de alumínio (boehmite) se alinham e se fixam para formar pilhas ordenadas, uma nova descoberta que envolveu pesquisa experimental e computacional.
O trabalho, liderado por cientistas do Pacific Northwest National Laboratory em colaboração com cientistas da Washington State University e do Oak Ridge National Laboratory, foi apresentado em ACS Nano em um artigo intitulado, "Impacto da química da solução e da anisotropia de partículas na dinâmica coletiva da agregação orientada."
O estudo fornece detalhes importantes sobre a estrutura e dinâmica das plaquetas boehmite em soluções de sal em pH alto, condições relevantes para o lixo radioativo de alto nível, como aquele encontrado na instalação nuclear de Hanford.
Quando as pilhas de nanocristais foram colocadas em soluções de sal em pH alto, eles se agregaram rapidamente em microestruturas maiores. Essas pilhas de plaquetas agregam-se ainda mais a taxas que aumentam com o pH e [NaNO 3 ], cruzamento de regimes limitados por reação para regimes limitados por difusão. Para ajudar a explicar esse comportamento, calculamos as propriedades de transporte das nanoplacas, especificamente seus modos de movimento rotacional e translacional. Cálculos de difusividades translacionais / rotacionais e razões de estabilidade coloidal demonstraram a importância de considerar formatos de partículas irregulares.
Simulações de Monte Carlo conectaram a forma das nanopartículas da semente à estrutura e ao comportamento de crescimento dos agregados emergentes. Além disso, determinamos que as plaquetas interagem de forma diferente nas bordas, rostos, ou cantos, o que complica o uso de modelos típicos baseados em partículas esféricas. Esses resultados são etapas importantes para uma compreensão preditiva do transporte e agregação de nanopartículas que resolverá problemas em geoquímica, biologia, Ciência de materiais, e além.
Esses novos insights sobre o crescimento, conjunto, e a agregação para boehmite e outros sistemas de rolamentos de alumínio informará o desenvolvimento de modelos preditivos aplicados a esquemas de controle de processo.
