p Cientistas de materiais da Duke University desenvolveram um método simplificado para calcular as forças de atração que fazem com que as nanopartículas se auto-montem em estruturas maiores. p Com este novo modelo, acompanhada por uma interface gráfica do usuário que demonstra seu poder, os pesquisadores serão capazes de fazer previsões antes impossíveis sobre como as nanopartículas com uma ampla variedade de formas irão interagir umas com as outras. O novo método oferece oportunidades para projetar racionalmente essas partículas para uma ampla gama de aplicações, desde o aproveitamento da energia solar até o acionamento de reações catalíticas.

p Os resultados aparecem online no dia 12 de novembro na revista Nanoscale Horizons.

p "Nanopartículas facetadas podem levar a novos comportamentos de montagem, que não foi explorado no passado, "disse Brian Hyun-jong Lee, estudante de graduação em engenharia mecânica e ciência de materiais na Duke e primeiro autor do artigo. "Cubos, prismas, hastes e assim por diante, todos exibem interações interpartículas distintas, dependentes da distância e da orientação, que podem ser utilizadas para criar montagens de partículas únicas que não se podem obter por meio da automontagem de partículas esféricas. "

p "Cada vez que leio o último conjunto de artigos publicados em nanotecnologia, Vejo algumas novas aplicações desses tipos de nanopartículas, "acrescentou Gaurav Arya, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke. "Mas calcular com precisão as forças que unem essas partículas a uma distância muito próxima é extremamente caro do ponto de vista computacional. Agora demonstramos uma abordagem que acelera esses cálculos milhões de vezes, enquanto perde apenas uma pequena quantidade de precisão."

p As forças em ação entre as nanopartículas são chamadas de forças de van der Waals. Essas forças surgem por causa de pequenas, mudanças temporárias na densidade dos elétrons que orbitam os átomos de acordo com as leis complexas da física quântica. Embora essas forças sejam mais fracas do que outras interações intermoleculares, como forças coulômbicas e ligações de hidrogênio, eles são onipresentes e atuam entre cada átomo, frequentemente dominando a interação líquida entre as partículas.

p Para contabilizar adequadamente essas forças entre as partículas, deve-se calcular a força de van der Waals que cada átomo da partícula exerce sobre cada átomo de uma partícula próxima. Mesmo que ambas as partículas em questão fossem cubos minúsculos de tamanhos menores que 10 nanômetros, o número de cálculos somando todas essas interações interatômicas seria da ordem de dezenas de milhões.

p É fácil ver por que tentar fazer isso repetidamente para milhares de partículas localizadas em diferentes posições e em diferentes orientações em uma simulação de multipartículas se torna rapidamente impossível.

p "Muito trabalho foi feito para formular um somatório que se aproxima de uma solução analítica, "disse Arya." Algumas abordagens tratam as partículas como constituídas por cubos infinitesimalmente pequenos unidos. Outros tentam preencher o espaço com anéis circulares infinitesimalmente finos. Embora essas estratégias de discretização de volume tenham permitido aos pesquisadores obter soluções analíticas para interações entre geometrias de partículas simples, como superfícies planas paralelas ou partículas esféricas, tais estratégias não podem ser usadas para simplificar as interações entre partículas facetadas devido às suas geometrias mais complexas. "

p Para contornar esse problema, Lee e Arya adotaram uma abordagem diferente, fazendo várias simplificações. A primeira etapa envolve representar a partícula como sendo composta não de elementos cúbicos, mas de elementos em forma de bastão de vários comprimentos empilhados juntos. O modelo então assume que as hastes cujas projeções estão fora do limite projetado da outra partícula contribuem de forma insignificante para a energia de interação geral.

p As energias contribuídas pelas hastes restantes são ainda assumidas como iguais às energias das hastes de comprimentos uniformes localizadas à mesma distância normal das hastes reais, mas com deslocamento lateral zero. O truque final é aproximar a dependência da distância da energia da partícula da haste usando funções de lei de potência que têm soluções de forma fechada quando as distâncias variam linearmente com a posição lateral das hastes reais, como é o caso com as superfícies de interação planas de partículas facetadas.

p Depois que todas essas simplificações forem feitas, soluções analíticas para as energias interpartículas podem ser obtidas, permitindo que um computador passe rapidamente por eles. E embora possa parecer que eles introduziriam uma grande quantidade de erros, os pesquisadores descobriram que os resultados estavam em média apenas 8% abaixo da resposta real para todas as configurações de partículas, e apenas 25% diferente em seu pior.

p Enquanto os pesquisadores trabalharam principalmente com cubos, eles também mostraram que a abordagem funciona com prismas triangulares, hastes quadradas e pirâmides quadradas. Dependendo da forma e do material das nanopartículas, a abordagem de modelagem pode impactar uma ampla gama de campos. Por exemplo, nanocubos de prata ou ouro com bordas próximas umas das outras podem aproveitar e focar a luz em minúsculos "pontos quentes, "criando uma oportunidade para melhores sensores ou catalisando reações químicas.

p "Esta é a primeira vez que alguém propõe um modelo analítico para as interações de van der Waals entre partículas facetadas, "disse Arya." Mesmo que ainda estejamos aplicando para calcular forças ou energias interpartículas dentro da dinâmica molecular ou simulações de Monte Carlo de montagem de partículas, esperamos que o modelo acelere essas simulações em até dez ordens de magnitude. "