Aunque investigaciones anteriores muestran que las nanopartículas metálicas tienen propiedades útiles para diversas aplicaciones biomédicas, Quedan muchos misterios sobre cómo se forman estos pequeños materiales, incluyendo los procesos que generan variaciones de tamaño. Para resolver este caso, un equipo de científicos recurrió a tácticas de investigación computacional.

Dirigido por Leonid Zhigilei de la Universidad de Virginia (UVA), El equipo utilizó la supercomputadora Titan de 27 petaflop de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para modelar las interacciones entre pulsos láser cortos y objetivos metálicos a escala atómica. Conocido como ablación láser, este proceso implica irradiar metales con un rayo láser para eliminar selectivamente capas de material, que cambia la estructura de la superficie del objetivo, o morfología, y genera nanopartículas.

Como parte de una investigación más amplia sobre la relación entre la ablación con láser y la generación de nanopartículas, El equipo de Zhigilei dedicó horas de computación obtenidas a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) en la investigación de los mecanismos responsables de la formación de dos poblaciones distintas de nanopartículas. Este proyecto se centró exclusivamente en cómo estos procesos se manifiestan en ambientes líquidos, basándose en investigaciones previas que los estudiaron en el vacío.

Para corroborar sus hallazgos, los científicos de la UVA colaboraron con un grupo de investigación de la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania. En 2018, sus resultados fueron publicados en Nanoescala ; La contraportada de la revista presentaba una imagen de ablación con láser que el científico informático de OLCF Benjamin Hernandez creó usando SIGHT, una herramienta de visualización personalizable que desarrolló. La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de ciencias científicas del Departamento de Energía de los EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE.

Siguiendo pistas virtuales

Para diferenciar entre las fuentes de nanopartículas categorizadas como pequeñas (menos de 10 nanómetros) y grandes (10 o más nanómetros), el equipo realizó una serie de simulaciones de dinámica molecular en Titán, que modeló blancos de plata y oro en agua irradiada por ablación con láser.

"Estos metales son estables, inerte, y no reaccionar activamente con el entorno circundante, "Dijo Zhigilei". Además, la plata tiene propiedades antibacterianas útiles ".

Los resultados de la simulación indicaron que es más probable que se formen pequeñas nanopartículas a partir de la condensación del vapor de metal enfriado rápidamente a través de su interacción con el vapor de agua. mientras que los grandes pueden surgir cuando las inestabilidades hidrodinámicas, que son flujos inestables de un fluido a través de otro fluido de diferente densidad, hacer que el metal se desintegre.

Durante la ablación, los pulsos de láser sobrecalientan parte de la superficie del objetivo metálico, lo que lleva a una descomposición explosiva de esa región en una mezcla de vapor y pequeñas gotas de líquido. Esta mezcla caliente se expulsa luego del objetivo irradiado, formando el llamado penacho de ablación. Conocido como explosión de fase o "ebullición explosiva, "Este fenómeno se ha estudiado ampliamente para la ablación con láser en el vacío.

Sin embargo, cuando la ablación tiene lugar en un ambiente líquido, la interacción de la pluma de ablación con el agua circundante complica el proceso al ralentizar la pluma de ablación, lo que conduce a la formación de una capa de metal caliente que empuja contra el agua.

Esta interacción dinámica puede desencadenar una rápida sucesión de inestabilidades hidrodinámicas en la capa de metal fundido, provocando que se desintegre parcial o totalmente y produzca nanopartículas grandes. Un elemento novedoso conocido ilustra este comportamiento.

"Cuando enciendes una lámpara de lava por primera vez, el fluido pesado se asienta sobre el fluido ligero, pero luego comienza a fluir bajo la acción de la aceleración gravitacional y crea algunos patrones de flujo interesantes y formación de partículas, ", Dijo Zhigilei." Algo similar sucede con la ablación con láser:la capa pesada de metal caliente se desacelera rápidamente por el agua, que produce inestabilidades hidrodinámicas en la interfaz metal-agua que generan grandes nanopartículas ".

El equipo observó los movimientos de átomos individuales para extrapolar información útil sobre ambos caminos hacia la generación de nanopartículas.

"Tuvimos que cambiar rápidamente de átomos en la escala de menos de un nanómetro a cientos de nanómetros, que requirió resolver ecuaciones para cientos de millones de átomos en nuestras simulaciones, ", Dijo Zhigilei." Este tipo de trabajo sólo es posible en grandes supercomputadoras como Titán ".

Ambos procesos que conducen a la generación de nanopartículas tienen lugar dentro de una "cámara de reacción" transitoria conocida como burbuja de cavitación. que resulta de la interacción entre la pluma de ablación caliente y el ambiente líquido. Al estudiar la vida útil de la burbuja de principio a fin, los científicos pueden identificar qué tipos de nanopartículas emergen en determinadas etapas.

"Irradiar un objetivo metálico en agua con pulsos de láser crea un ambiente caliente que conduce a la formación, expansión, y colapso de una gran burbuja similar a las creadas por la ebullición convencional, ", Dijo Zhigilei." Cualquier proceso de generación de nanopartículas ocurre dentro de la burbuja o en la interfaz entre la pluma de ablación y la superficie de la burbuja ".

Los experimentos de imágenes complementarios realizados en el Centro de Nanointegración de Duisburg-Essen (CENIDE) confirmaron los hallazgos computacionales del equipo al revelar la existencia de microburbujas más pequeñas que contienen nanopartículas que se formaron alrededor de la burbuja de cavitación principal.

Los investigadores del CENIDE también realizaron videos que demuestran la producción de nanopartículas de oro y muestran un objetivo de oro sumergido en una cámara de ablación líquida.

Un plan de mejoras

Los científicos tradicionalmente se han basado en técnicas de síntesis para producir nanopartículas de manera eficiente a través de una secuencia de reacciones químicas. Aunque este proceso permite un control preciso sobre el tamaño de las nanopartículas, La contaminación química puede impedir que los materiales resultantes funcionen correctamente. La ablación con láser evita este error al generar resultados superiores, limpie las nanopartículas mientras moldea sutilmente el metal en configuraciones más adecuadas.

"La ablación láser crea una solución coloidal completamente limpia de nanopartículas sin utilizar ningún otro producto químico, y estos materiales prístinos son ideales para aplicaciones biomédicas, ", Dijo Zhigilei." Los resultados de nuestros cálculos pueden ayudar a escalar este proceso y mejorar la productividad para que la ablación pueda eventualmente competir con la síntesis química en términos de la cantidad de nanopartículas producidas ".

Encontrar la fuente de la discrepancia de tamaño allana el camino hacia un futuro en el que los investigadores pueden optimizar la ablación con láser para controlar el tamaño de las nanopartículas limpias. haciéndolos más baratos y más fácilmente disponibles para posibles propósitos biomédicos, como matar selectivamente las células cancerosas.

Este logro también ejemplifica los beneficios de la tecnología láser mientras se toman medidas para descubrir los factores fundamentales que influyen en los resultados de las interacciones entre un pulso láser y un metal. Este conocimiento podría conducir a grandes avances en la investigación de nanopartículas del equipo, así como los avances en ablación láser y técnicas relacionadas, lo que a su vez permitiría una interpretación más precisa de los datos existentes.

Cheng-Yu Shih, autor principal del artículo a nanoescala y recién graduado de la UVA, ahora trabaja para combinar el modelado con estudios experimentales para explorar más a fondo cómo los diferentes metales generan nanopartículas en respuesta a la ablación con láser.

Zhigilei espera que la investigación dé como resultado un gran avance que elimine la necesidad de la tediosa tarea de clasificar nanopartículas grandes y pequeñas.