Los científicos de materiales de la Universidad de Duke han ideado un método simplificado para calcular las fuerzas de atracción que hacen que las nanopartículas se autoensamblen en estructuras más grandes.

Con este nuevo modelo, acompañado de una interfaz gráfica de usuario que demuestra su poder, los investigadores podrán hacer predicciones previamente imposibles sobre cómo las nanopartículas con una amplia variedad de formas interactuarán entre sí. El nuevo método ofrece oportunidades para diseñar de forma racional tales partículas para una amplia gama de aplicaciones, desde el aprovechamiento de la energía solar hasta la activación de reacciones catalíticas.

Los resultados aparecen en línea el 12 de noviembre en la revista. Horizontes a nanoescala.

"Las nanopartículas facetadas pueden conducir a comportamientos de ensamblaje novedosos, que no se han explorado en el pasado, "dijo Brian Hyun-jong Lee, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y ciencias de los materiales en Duke y primer autor del artículo. "Cubitos, prismas, las varillas y demás exhiben distintas interacciones entre partículas dependientes de la distancia y la orientación que se pueden utilizar para crear conjuntos de partículas únicos que no se pueden obtener mediante el autoensamblaje de partículas esféricas ".

"Cada vez que reviso el último conjunto de artículos publicados sobre nanotecnología, Veo una nueva aplicación de este tipo de nanopartículas, "agregó Gaurav Arya, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Pero calcular con precisión las fuerzas que unen estas partículas a un rango muy cercano es extremadamente costoso desde el punto de vista computacional. Ahora hemos demostrado un enfoque que acelera esos cálculos millones de veces y solo pierde una pequeña cantidad de precisión".

Las fuerzas que actúan entre las nanopartículas se denominan fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas surgen debido a pequeñas, cambios temporales en la densidad de los electrones que orbitan los átomos de acuerdo con las complejas leyes de la física cuántica. Si bien estas fuerzas son más débiles que otras interacciones intermoleculares como las fuerzas culómbicas y los enlaces de hidrógeno, son ubicuos y actúan entre todos y cada uno de los átomos, a menudo domina la interacción neta entre partículas.

Para tener en cuenta adecuadamente tales fuerzas entre partículas, hay que calcular la fuerza de van der Waals que cada átomo de la partícula ejerce sobre cada átomo de una partícula cercana. Incluso si ambas partículas en cuestión fueran cubos minúsculos de tamaños inferiores a 10 nanómetros, el número de cálculos que suman todas estas interacciones interatómicas sería de decenas de millones.

Es fácil ver por qué intentar hacer esto una y otra vez para miles de partículas ubicadas en diferentes posiciones y en diferentes orientaciones en una simulación de múltiples partículas se vuelve rápidamente imposible.

"Se ha trabajado mucho para formular un resumen que se acerque a una solución analítica, "dijo Arya." Algunos enfoques tratan las partículas como si estuvieran formadas por cubos infinitesimalmente pequeños pegados entre sí. Otros intentan llenar el espacio con anillos circulares infinitesimalmente delgados. Si bien estas estrategias de discretización de volumen han permitido a los investigadores obtener soluciones analíticas para interacciones entre geometrías de partículas simples como superficies planas paralelas o partículas esféricas, tales estrategias no se pueden utilizar para simplificar las interacciones entre partículas facetadas debido a sus geometrías más complejas ".

Para evitar este problema, Lee y Arya adoptaron un enfoque diferente al hacer varias simplificaciones. El primer paso consiste en representar la partícula como si no estuviera formada por elementos cúbicos, pero de elementos en forma de varilla de varias longitudes apilados juntos. Luego, el modelo asume que las barras cuyas proyecciones caen fuera del límite proyectado de la otra partícula contribuyen de manera insignificante a la energía de interacción general.

Se supone además que las energías aportadas por las varillas restantes son iguales a las energías de las varillas de longitudes uniformes ubicadas a la misma distancia normal que las varillas reales, pero con desplazamiento lateral cero. El truco final es aproximar la dependencia de la distancia de la energía de la barra-partícula usando funciones de ley de potencia que tienen soluciones de forma cerrada cuando las distancias varían linealmente con la posición lateral de las barras reales, como es el caso de las superficies planas que interactúan de las partículas facetadas.

Una vez realizadas todas estas simplificaciones, se pueden obtener soluciones analíticas para las energías entre partículas, permitiendo que una computadora los atraviese. Y aunque puede parecer que introducirían una gran cantidad de errores, los investigadores encontraron que los resultados tenían solo un 8% de descuento en promedio con respecto a la respuesta real para todas las configuraciones de partículas, y solo un 25% diferente en su peor momento.

Si bien los investigadores trabajaron principalmente con cubos, también demostraron que el enfoque funciona con prismas triangulares, varillas cuadradas y pirámides cuadradas. Dependiendo de la forma y el material de las nanopartículas, el enfoque de modelado podría afectar a una amplia gama de campos. Por ejemplo, Los nanocubos de plata u oro con bordes próximos entre sí pueden aprovechar y enfocar la luz en pequeños "puntos calientes, "creando una oportunidad para mejores sensores o catalizando reacciones químicas.

"Esta es la primera vez que alguien ha propuesto un modelo analítico para las interacciones de van der Waals entre partículas facetadas, ", dijo Arya." Aunque todavía tenemos que aplicarlo para calcular las fuerzas o energías entre partículas dentro de la dinámica molecular o las simulaciones de Monte Carlo de ensamblaje de partículas, esperamos que el modelo acelere tales simulaciones hasta en diez órdenes de magnitud ".