Embora pesquisas anteriores mostrem que as nanopartículas de metal têm propriedades úteis para várias aplicações biomédicas, muitos mistérios permanecem sobre como esses minúsculos materiais se formam, incluindo os processos que geram variações de tamanho. Para resolver este caso, uma equipe de cientistas se voltou para táticas de investigação computacional.

Liderado por Leonid Zhigilei, da University of Virginia (UVA), a equipe usou o supercomputador Titan de 27 petaflop do Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para modelar as interações entre pulsos de laser curtos e alvos de metal em escala atômica. Conhecido como ablação a laser, este processo envolve a irradiação de metais com um feixe de laser para remover seletivamente camadas de material, que muda a estrutura da superfície do alvo, ou morfologia, e gera nanopartículas.

Como parte de uma pesquisa mais ampla sobre a relação entre a ablação a laser e a geração de nanopartículas, A equipe de Zhigilei gastou horas de computação ganhas por meio do programa Impacto Computacional Inovador e Novo na Teoria e Experimento (INCITE) na investigação dos mecanismos responsáveis ​​pela formação de duas populações distintas de nanopartículas. Este projeto focou exclusivamente em como esses processos se manifestam em ambientes líquidos, com base em pesquisas anteriores que os estudaram no vácuo.

Para corroborar suas descobertas, os cientistas da UVA colaboraram com um grupo de pesquisa da Universidade de Duisburg-Essen, Alemanha. Em 2018, seus resultados foram publicados em Nanoescala ; a contracapa da revista apresentava uma imagem de ablação a laser Benjamin Hernandez, cientista da computação do OLCF, criada usando o SIGHT, uma ferramenta de visualização personalizável que ele desenvolveu. O OLCF é uma facilidade do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE), localizada no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE.

Seguindo pistas virtuais

Para diferenciar entre as fontes de nanopartículas categorizadas como pequenas (menos de 10 nanômetros) e grandes (10 ou mais nanômetros), a equipe executou uma série de simulações de dinâmica molecular em Titan, que modelou alvos de prata e ouro em água irradiada por ablação a laser.

"Esses metais são estáveis, inerte, e não reagem ativamente com o ambiente circundante, "Zhigilei disse." Além disso, a prata tem propriedades antibacterianas úteis. "

Os resultados da simulação indicaram que pequenas nanopartículas são mais propensas a se formar a partir da condensação do vapor de metal resfriado rapidamente por meio de sua interação com o vapor de água, enquanto os grandes podem surgir quando as instabilidades hidrodinâmicas, que são fluxos instáveis ​​de um fluido através de outro fluido de densidade diferente, fazer com que o metal se desintegre.

Durante a ablação, pulsos de laser superaquecem parte da superfície do alvo de metal, levando a uma decomposição explosiva dessa região em uma mistura de vapor e pequenas gotículas de líquido. Esta mistura quente é então ejetada do alvo irradiado, formando a chamada pluma de ablação. Conhecida como explosão de fase ou "ebulição explosiva, "este fenômeno foi estudado extensivamente para ablação a laser no vácuo.

Contudo, quando a ablação ocorre em um ambiente líquido, a interação da pluma de ablação com a água circundante complica o processo ao desacelerar a pluma de ablação, o que leva à formação de uma camada de metal quente empurrando contra a água.

Esta interação dinâmica pode desencadear uma rápida sucessão de instabilidades hidrodinâmicas na camada de metal fundido, fazendo com que se desintegre parcial ou totalmente e produza grandes nanopartículas. Uma novidade bem conhecida ilustra esse comportamento.

"Quando você liga uma lâmpada de lava pela primeira vez, o fluido pesado fica em cima do fluido leve, mas então começa a fluir sob a ação da aceleração gravitacional e cria alguns padrões de fluxo interessantes e formação de partículas, "Zhigilei disse." Algo semelhante acontece com a ablação a laser - a camada pesada de metal quente é rapidamente desacelerada pela água, que produz instabilidades hidrodinâmicas na interface metal-água que geram grandes nanopartículas. "

A equipe observou os movimentos de átomos individuais para extrapolar informações úteis sobre os dois caminhos para a geração de nanopartículas.

"Tivemos que girar rapidamente de átomos na escala de menos de um nanômetro para centenas de nanômetros, que exigia a resolução de equações para centenas de milhões de átomos em nossas simulações, "Zhigilei disse." Este tipo de trabalho só é possível em grandes supercomputadores como o Titan. "

Ambos os processos que levam à geração de nanopartículas ocorrem dentro de uma "câmara de reação" transitória conhecida como bolha de cavitação, que resulta da interação entre a pluma de ablação quente e o ambiente líquido. Ao estudar a duração da bolha do início ao fim, os cientistas podem identificar quais tipos de nanopartículas surgem em determinados estágios.

"A irradiação de um alvo de metal na água com pulsos de laser cria um ambiente quente que leva à formação, expansão, e o colapso de uma grande bolha semelhante às criadas pela fervura convencional, "Zhigilei disse." Qualquer processo de geração de nanopartículas acontece dentro da bolha ou na interface entre a pluma de ablação e a superfície da bolha. "

Experimentos de imagem complementares realizados no Centro de Nanointegração Duisburg-Essen (CENIDE) confirmaram as descobertas computacionais da equipe, revelando a existência de microbolhas menores contendo nanopartículas que se formaram em torno da bolha de cavitação principal.

Os pesquisadores do CENIDE também fizeram vídeos demonstrando a produção de nanopartículas de ouro e exibindo um alvo de ouro imerso em uma câmara de ablação líquida.

Um projeto para melhorias

Os cientistas tradicionalmente contam com técnicas de síntese para produzir nanopartículas de forma eficiente por meio de uma sequência de reações químicas. Embora este processo permita um controle preciso sobre o tamanho das nanopartículas, a contaminação química pode impedir que os materiais resultantes funcionem adequadamente. A ablação a laser evita essa armadilha, gerando superior, limpar nanopartículas enquanto sutilmente molda o metal em configurações mais adequadas.

"A ablação a laser cria uma solução coloidal completamente limpa de nanopartículas sem o uso de quaisquer outros produtos químicos, e esses materiais originais são ideais para aplicações biomédicas, "Zhigilei disse." Os resultados de nossos cálculos podem ajudar a escalar esse processo e melhorar a produtividade para que a ablação possa eventualmente competir com a síntese química em termos do número de nanopartículas produzidas. "

Encontrar a fonte da discrepância de tamanho abre caminho para um futuro onde os pesquisadores podem otimizar a ablação a laser para controlar o tamanho das nanopartículas limpas, tornando-os mais baratos e mais facilmente disponíveis para fins biomédicos em potencial, como matar seletivamente células cancerosas.

Essa conquista também exemplifica os benefícios da tecnologia a laser, ao mesmo tempo em que dá passos para descobrir os fatores fundamentais que influenciam os resultados das interações entre um pulso de laser e um metal. Esse conhecimento pode levar a grandes avanços na pesquisa de nanopartículas da equipe, bem como avanços na ablação a laser e técnicas relacionadas, o que, por sua vez, permitiria uma interpretação mais precisa dos dados existentes.

Cheng-Yu Shih, autor principal do artigo Nanoscale e recém-formado na UVA, agora trabalha para combinar modelagem com estudos experimentais para explorar ainda mais como diferentes metais geram nanopartículas em resposta à ablação a laser.

Zhigilei espera que a pesquisa resulte em um avanço que elimine a necessidade da tediosa tarefa de separar pequenas e grandes nanopartículas.