С помощью этой новой модели, сопровождаемой графическим пользовательским интерфейсом, демонстрирующим ее возможности, исследователи смогут делать ранее невозможные прогнозы о том, как наночастицы самых разных форм будут взаимодействовать друг с другом. Новый метод предлагает возможности для рационального конструирования таких частиц для широкого спектра применений – от использования солнечной энергии до каталитических реакций.
Результаты появятся в Интернете 12 ноября в журнале Nanoscale Horizons.
«Граненые наночастицы могут привести к новому поведению сборки, которое не исследовалось в прошлом», – сказал Брайан Хён Чжон Ли, аспирант кафедры машиностроения и материаловедения в Duke и первый автор статьи. «Кубики, призмы, стержни и т. Д. – все демонстрируют отчетливые межчастичные взаимодействия, зависящие от расстояния и ориентации, которые можно использовать для создания уникальных сборок частиц, которые невозможно получить путем самосборки сферических частиц."
«Каждый раз, просматривая последний набор опубликованных статей по нанотехнологиям, я вижу какое-то новое применение этих типов наночастиц», – добавил Гаурав Арья, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Duke. "Но точное вычисление сил, которые стягивают эти частицы вместе на очень близком расстоянии, чрезвычайно затратно с точки зрения вычислений. Теперь мы продемонстрировали подход, который ускоряет эти вычисления в миллионы раз, теряя при этом лишь небольшую степень точности."
Силы, действующие между наночастицами, называются силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы возникают из-за небольших временных сдвигов в плотности электронов, вращающихся вокруг атомов, в соответствии со сложными законами квантовой физики.
Хотя эти силы слабее, чем другие межмолекулярные взаимодействия, такие как кулоновские силы и водородные связи, они распространены повсеместно и действуют между каждым атомом, часто доминируя в чистом взаимодействии между частицами.
Чтобы правильно учесть такие силы между частицами, необходимо вычислить силу Ван-дер-Ваальса, которую каждый атом в частице оказывает на каждый атом в соседней частице. Даже если бы обе рассматриваемые частицы были крошечными кубиками размером менее 10 нанометров, количество вычислений, суммирующих все такие межатомные взаимодействия, было бы десятками миллионов.
Легко понять, почему попытки делать это снова и снова для тысяч частиц, расположенных в разных положениях и в разных ориентациях в многочастичном моделировании, быстро становятся невозможными.
«Было проделано много работы, чтобы сформулировать суммирование, приближающееся к аналитическому решению», – сказал Арья. "Некоторые подходы рассматривают частицы как состоящие из бесконечно малых кубиков, склеенных вместе. Другие пытаются заполнить пространство бесконечно тонкими круглыми кольцами.
Хотя эти стратегии объемной дискретизации позволили исследователям получить аналитические решения для взаимодействий между простыми геометриями частиц, такими как параллельные плоские поверхности или сферические частицы, такие стратегии нельзя использовать для упрощения взаимодействий между фасетными частицами из-за их более сложной геометрии."
Чтобы обойти эту проблему, Ли и Арья использовали другой подход, сделав несколько упрощений. Первый шаг включает представление частицы как состоящей не из кубических элементов, а из стержневидных элементов разной длины, сложенных вместе. Затем модель предполагает, что стержни, выступы которых выходят за пределы проецируемой границы другой частицы, вносят незначительный вклад в общую энергию взаимодействия.
Предполагается, что энергия, вносимая оставшимися стержнями, равна энергии стержней одинаковой длины, расположенных на том же нормальном расстоянии, что и фактические стержни, но с нулевым боковым смещением. Последний трюк состоит в том, чтобы аппроксимировать зависимость энергии стержневых частиц от расстояния с помощью степенных функций, которые имеют решения в замкнутой форме, когда расстояния изменяются линейно в зависимости от бокового положения реальных стержней, как в случае с плоскими взаимодействующими поверхностями граненых частицы.
После того, как все эти упрощения сделаны, могут быть получены аналитические решения для энергий между частицами, позволяющие компьютеру быстро их преодолеть.
И хотя может показаться, что они внесут большое количество ошибок, исследователи обнаружили, что результаты были всего на 8% ниже фактического ответа для всех конфигураций частиц и только на 25% в худшем случае.
Хотя исследователи в основном работали с кубами, они также показали, что этот подход работает с треугольными призмами, квадратными стержнями и квадратными пирамидами. В зависимости от формы и материала наночастиц подход к моделированию может влиять на широкий спектр полей. Например, серебряные или золотые нанокубы с близкими друг к другу краями могут собирать и фокусировать свет в крошечные «горячие точки», создавая возможность для улучшения датчиков или катализируя химические реакции.
«Это первый случай, когда кто-либо предложил аналитическую модель ван-дер-ваальсовых взаимодействий между фасетными частицами», – сказал Арья. «Несмотря на то, что мы еще не применили ее для расчета межчастичных сил или энергии в рамках молекулярной динамики или моделирования сборки частиц методом Монте-Карло, мы ожидаем, что эта модель ускорит такое моделирование на целых десять порядков."
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (награда CMMI 1636356, ACI-1053575).