Panagiotis Grammatikopoulos en OIST Nanoparticles by Design Unit simula las interacciones de partículas que son demasiado pequeñas para verlas, y demasiado complicado de visualizar. Para estudiar el comportamiento de las partículas, usa una técnica llamada dinámica molecular. Esto significa que cada billonésima de segundo, calcula la ubicación de cada átomo individual en la partícula basándose en dónde está y qué fuerzas se aplican. Utiliza un programa de computadora para hacer los cálculos, y luego anima el movimiento de los átomos usando software de visualización. La animación resultante ilumina lo que sucede, átomo por átomo, cuando dos nanopartículas chocan.
Grammatikopoulos llama a esto un experimento virtual. Sabe cómo son los átomos de sus nanopartículas iniciales. Sabe que su movimiento sigue las leyes de la física newtoniana. Sus colegas han visto cómo se ven las partículas resultantes después de los experimentos de colisión. Una vez que se completa su simulación, Grammatikopoulos compara sus productos finales con sus colegas para verificar su precisión.
Grammatikopoulos simuló más recientemente cómo interactúan las nanopartículas de paladio, publicado en Informes científicos el 22 de julio 2014. El paladio es un catalizador caro pero muy eficaz que reduce la energía necesaria para iniciar muchas reacciones químicas. Los investigadores pueden hacer que el paladio sea aún más eficiente diseñando nanopartículas de paladio, que utilizan la misma masa de paladio en trozos más pequeños, aumento de la superficie. Cuanta más superficie tenga un catalizador, cuanto más eficaz es, porque hay sitios más activos donde los elementos pueden encontrarse y pueden ocurrir reacciones.
Sin embargo, encoger un material a solo unos pocos nanómetros puede cambiar algunas de las propiedades de ese material. Por ejemplo, todas las nanopartículas se derriten a temperaturas más frías de lo que normalmente lo harían, que cambia lo que sucede cuando dos partículas chocan. Ordinariamente, dos partículas chocarán y liberarán una pequeña cantidad de calor, pero las partículas permanecen más o menos iguales. Pero cuando dos nanopartículas chocan, a veces, el calor liberado derrite la superficie de las dos partículas, y se fusionan.
Grammatikopoulos simuló nanopartículas de paladio colisionando y fusionándose a diferentes temperaturas. Determinó que cada vez que las partículas se fusionaban, sus átomos empezarían a cristalizar en filas y planos ordenados. A temperaturas más altas, las partículas se fusionan en una estructura homogénea. A temperaturas más bajas, los productos parecen muñecos de nieve clásicos, con algunas partes que habían cristalizado con diferentes orientaciones.
"La simulación le brinda una comprensión de los procesos físicos, "dijo Grammatikopoulos. Antes de su investigación, Grammatikopoulos no pudo explicar por qué todas las nanopartículas de paladio que creó su laboratorio tenían una estructura cristalina. Es más, notó que muchas nanopartículas de paladio crecían protuberancias, dando a las partículas una forma grumosa. "Dado que las protuberancias sobresalen, se unen más fácilmente con otras moléculas, "Grammatikopoulos explicó." Aún no estoy seguro de si es beneficioso, pero definitivamente está afectando las propiedades catalíticas ".
Este estudio establece algunas reglas básicas y explica ciertas propiedades de las nanopartículas de paladio. Comprender estas propiedades podría ayudar a diseñar otras nanopartículas a partir de otros materiales que rivalizarían con las capacidades del paladio como catalizador. El paladio juega un papel en miles de reacciones importantes, desde la fabricación de medicamentos hasta la creación de nuevos biocombustibles. Por ejemplo, Nanoparticles by Design Unit del Prof. Mukhles Sowwan y la Unidad de Sistemas Biológicos del Prof. Igor Goryanin en OIST están trabajando con reacciones catalizadas por paladio para mejorar la eficiencia de las pilas de combustible microbianas. Mejores nanopartículas de paladio impulsarán esta investigación.
"Necesitamos comprender la ciencia básica, "explicó Sowwan, quien es el asesor de Grammatikopoulos. Sowwan dice que el campo de la nanociencia solo está comenzando a avanzar hacia la aplicación de la investigación, porque todavía hay mucho que aprender sobre las propiedades de las nanopartículas. "Si construye algo sin comprender los conceptos básicos, "Sowwan dijo, "No podrás explicar los resultados".
