Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Han revelado comportamientos previamente no observados que muestran cómo los detalles de la transferencia de calor a nanoescala hacen que las nanopartículas cambien de forma en conjuntos.

Los nuevos hallazgos representan tres etapas distintas de evolución en grupos de nanobarras de oro, desde la forma de varilla inicial hasta la forma intermedia hasta una nanopartícula en forma de esfera. La investigación sugiere nuevas reglas para el comportamiento de los conjuntos de nanobarras, proporcionando información sobre cómo aumentar la eficiencia de la transferencia de calor en un sistema a nanoescala.

A nanoescala, nanobarras de oro individuales tienen componentes electrónicos únicos, propiedades térmicas y ópticas. Comprender estas propiedades y gestionar cómo las colecciones de estas nanopartículas alargadas absorben y liberan esta energía como calor impulsará nuevas investigaciones hacia tecnologías de próxima generación, como los sistemas de purificación de agua. materiales de batería e investigación del cáncer.

Se sabe mucho sobre cómo se comportan las nanovarillas individuales, pero poco se sabe sobre cómo se comportan las nanobarras en conjuntos de millones. Entender cómo el comportamiento individual de cada nanobarra, incluyendo cómo su orientación y velocidad de transición difieren de los que lo rodean, impacta la cinética colectiva del conjunto y es fundamental para el uso de nanobarras en tecnologías futuras.

"Empezamos con muchas preguntas, "dijo el físico de Argonne Yuelin Li, "como '¿Cuánta energía pueden soportar las partículas antes de perder funcionalidad? ¿Cómo afectan los cambios individuales a nanoescala la funcionalidad general? ¿Cuánto calor se libera al área circundante?' Cada nanovarilla sufre continuamente un cambio de forma cuando se calienta más allá de la temperatura de fusión, lo que significa un cambio en el área de la superficie y por lo tanto un cambio en sus propiedades térmicas e hidrodinámicas ".

Los investigadores utilizaron un láser para calentar las nanopartículas y los rayos X para analizar sus formas cambiantes. Generalmente, las nanovarillas se transforman en nanoesferas más rápidamente cuando se les suministra una potencia láser de mayor intensidad. En este caso, Se observaron comportamientos de conjunto completamente diferentes cuando esta intensidad aumentó de manera incremental. La intensidad del calor aplicado cambia no solo la forma de las nanopartículas a varias velocidades, sino que también afecta su capacidad para absorber y liberar calor de manera eficiente.

"Para nosotros, la clave era comprender cuán eficientes eran las nanovarillas para transferir luz en calor en muchos escenarios diferentes, ", dijo el nanocientífico Subramanian Sankaranarayanan del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne." Luego, tuvimos que determinar la física detrás de cómo se transfirió el calor y todas las diferentes formas en que estas nanobarras podrían convertirse en nanoesferas ".

Para observar cómo la varilla hace esta transición, Los investigadores primero hacen brillar un pulso de láser en la nanovarilla suspendida en una solución de agua en la Fuente de Fotones Avanzados de Argonne. El láser dura menos de cien femtosegundos, casi un billón de veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos. Lo que sigue es una serie de ráfagas de rayos X enfocadas y rápidas utilizando una técnica llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño. Los datos resultantes se utilizan para determinar la forma promedio de la partícula a medida que cambia con el tiempo.

De este modo, los científicos pueden reconstruir los cambios mínimos que ocurren en la forma de la nanovarilla. Sin embargo, para comprender la física subyacente a este fenómeno, los investigadores necesitaban profundizar en cómo vibran y se mueven los átomos individuales durante la transición. Para esto, se dirigieron al campo de la dinámica molecular utilizando el poder de supercomputación de la supercomputadora Mira de 10 petaflop en Argonne Leadership Computing Facility.

Mira usó ecuaciones matemáticas para señalar los movimientos individuales de casi dos millones de átomos de nanobarras en el agua. Usando factores como la forma, temperatura y tasa de cambio, los investigadores construyeron simulaciones de la nanovarilla en muchos escenarios diferentes para ver cómo cambia la estructura con el tiempo.

"En el final, "dijo Sankaranarayanan, "Descubrimos que las tasas de transferencia de calor para nanoesferas más cortas pero más anchas son más bajas que para sus predecesoras en forma de varilla. Esta disminución en la eficiencia de transferencia de calor a nanoescala juega un papel clave en la aceleración de la transición de varilla a esfera cuando se calienta más allá de la temperatura de fusión. "