(Phys.org) - Las nanopartículas de plata individuales en soluciones generalmente crecen a través de la unión de un solo átomo, pero lo más importante, cuando alcanzan un cierto tamaño pueden enlazarse con otras partículas, según los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, la Universidad de California, Davis, y la Universidad Estatal de Florida. Este resultado aparentemente simple ha cambiado un paradigma científico de larga data que no consideró los modelos cinéticos al explicar cómo se formaron los conjuntos de nanopartículas.

Los métodos convencionales 1) se han limitado al análisis "post-mortem" mucho después de que el crecimiento disminuyó, 2) "escogió" las partículas que se están examinando, perdiendo así las implicaciones de mesoescala, o 3) solo analizó el promedio de la población y omitió las variaciones de partículas individuales. Ahora, considerando la cinética de la tasa de crecimiento promedio y la distribución de tamaños de partículas, el equipo explica por qué los científicos ven lo que ven cuando se forman conjuntos de nanopartículas a través de mecanismos no clásicos.

"Los hallazgos del equipo arrojan luz sobre observaciones previamente inexplicables del crecimiento de nanopartículas agregantes, "dijo el Dr. Louis Terminello, quien lidera la Iniciativa de Imagen Química en PNNL, que financió gran parte del trabajo. "Esta comprensión de las interacciones de mesoescala proporciona más precisión en la síntesis de materiales, acercándonos a materiales personalizados para catálisis, almacen de energia, y otros usos ".

ya sea almacenar energía renovable para su uso posterior o diseñar baterías de mayor duración para vehículos eléctricos, muchos de los problemas energéticos actuales no se resolverán con los materiales actuales. Se necesitan nuevos materiales. La clave para evitar la investigación de prueba y error que consume mucho tiempo es controlar estrictamente el crecimiento de nanopartículas para construir los materiales necesarios, de abajo hacia arriba. Este estudio proporciona información importante sobre nanoensambles cultivados por mecanismos no clásicos, incluyendo agregación y coalescencia.

Desde principios de la década de 1960, Los científicos han interpretado cuantitativamente el crecimiento de nanopartículas utilizando un modelo llamado Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Este modelo aborda la disolución de pequeños cristales y la deposición del material disuelto sobre los más grandes, un proceso llamado maduración de Ostwald. Pero hasta ahora Se ha prestado poca atención al modelado de la distribución del tamaño de partícula correspondiente, una propiedad global que a menudo dicta importantes propiedades funcionales. como la actividad catalítica.

"A escala atómica, La maduración de Ostwald se ajusta al crecimiento observado. Pero en la mesoescala, necesitamos saber más sobre la distribución del tamaño de partículas, "dijo el Dr. Nigel Browning, Director científico de la iniciativa de imágenes químicas y líder de este proyecto.

Los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido de líquidos in situ para crecer y observar directamente conjuntos de nanopartículas de plata. El equipo descubrió que el modelo cinético de agregación de Smoluchowski coincidía cuantitativamente con la tasa de crecimiento media y la distribución del tamaño de partícula del conjunto. Los investigadores también utilizaron un algoritmo creado por el Dr. Chiwoo Park en el estado de Florida para capturar todas las partículas y analizar todos los datos. otra diferencia con los métodos anteriores.

"Utilizando el enfoque combinado de imágenes y análisis, podemos trazar la distribución completa del tamaño de partícula, y ver cómo un mecanismo reemplaza al otro, "dijo Browning.

Aunque la tasa de crecimiento media observada durante los experimentos de crecimiento in situ fue consistente con el modelo LSW y sugirió que la maduración de Ostwald era el mecanismo de crecimiento dominante, el modelo de Smoluchowski mostró que la tasa de crecimiento media a escala de conjunto es ~ 20% mayor que la de las nanopartículas no agregadas. La distribución de tamaño de partícula correspondiente es más amplia y simétrica (ver figura) que la predicha por la maduración de Ostwald en LSW. Y, coincide más estrechamente con los datos experimentales. Los resultados del equipo sugieren que las partículas deben alcanzar un cierto tamaño antes de que sean capaces de crecer en conjuntos más grandes.

"Nuestros resultados realmente resaltan la necesidad de que el campo considere los mecanismos de crecimiento clásicos y no clásicos cuando se trata de comprender y, en última instancia, controlar las características finales de las nanopartículas". "dijo el Dr. James Evans, coautor y científico del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales.

Este estudio es un primer paso para permitir a los investigadores predecir y ajustar con precisión las distribuciones de tamaño de nanopartículas en síntesis a escala de laboratorio basadas en teorías físicas y observaciones empíricas. El equipo continuará respondiendo preguntas fundamentales sobre los fenómenos de mesoescala.