Panagiotis Grammatikopoulos dans l'unité OIST Nanoparticles by Design simule les interactions de particules trop petites pour être vues, et trop compliqué à visualiser. Afin d'étudier le comportement des particules, il utilise une technique appelée dynamique moléculaire. Cela signifie que chaque billionième de seconde, il calcule l'emplacement de chaque atome individuel dans la particule en fonction de son emplacement et des forces qui s'appliquent. Il utilise un programme informatique pour faire les calculs, puis anime le mouvement des atomes à l'aide d'un logiciel de visualisation. L'animation qui en résulte éclaire ce qui se passe, atome par atome, lorsque deux nanoparticules entrent en collision.
Grammatikopoulos appelle cela une expérience virtuelle. Il sait à quoi ressemblent les atomes de ses nanoparticules de départ. Il sait que leur mouvement suit les lois de la physique newtonienne. Ses collègues ont vu à quoi ressemblent les particules résultantes après des expériences de collision. Une fois sa simulation terminée, Grammatikopoulos compare ses produits finis avec ses collègues pour vérifier son exactitude.
Grammatikopoulos a récemment simulé l'interaction des nanoparticules de palladium, Publié dans Rapports scientifiques le 22 juillet, 2014. Le palladium est un catalyseur coûteux mais très efficace qui réduit l'énergie requise pour démarrer de nombreuses réactions chimiques. Les chercheurs peuvent rendre le palladium encore plus efficace en concevant des nanoparticules de palladium, qui utilisent la même masse de palladium en plus petits morceaux, superficie croissante. Plus un catalyseur a de surface, plus c'est efficace, car il y a des sites plus actifs où les éléments peuvent se rencontrer et des réactions peuvent se produire.
Cependant, rétrécir un matériau à quelques nanomètres seulement peut modifier certaines des propriétés de ce matériau. Par exemple, toutes les nanoparticules fondent à des températures plus froides qu'elles ne le feraient normalement, ce qui change ce qui se passe lorsque deux particules entrent en collision. Ordinairement, deux particules vont entrer en collision et libérer une petite quantité de chaleur, mais les particules restent plus ou moins les mêmes. Mais lorsque deux nanoparticules entrent en collision, parfois la chaleur dégagée fait fondre la surface des deux particules, et ils fusionnent.
Grammatikopoulos a simulé la collision et la fusion de nanoparticules de palladium à différentes températures. Il a déterminé que chaque fois que les particules fusionnaient, leurs atomes commenceraient à se cristalliser en rangées et en plans ordonnés. A des températures plus élevées, les particules fusionnent en une structure homogène. A des températures plus basses, les produits ressemblent à des bonhommes de neige classiques, avec quelques parties qui s'étaient cristallisées avec des orientations différentes.
"La simulation permet de comprendre les processus physiques, " a déclaré Grammatikopoulos. Avant ses recherches, Grammatikopoulos n'a pas pu expliquer pourquoi toutes les nanoparticules de palladium créées par son laboratoire avaient une structure cristalline. Par ailleurs, il a remarqué que de nombreuses nanoparticules de palladium faisaient des protubérances, donnant aux particules une forme grumeleuse. "Comme les protubérances dépassent, ils se lient plus facilement avec d'autres molécules, " expliqua Grammatikopoulos. " Je ne sais pas encore si c'est bénéfique, mais cela affecte définitivement les propriétés catalytiques."
Cette étude établit quelques règles de base et explique certaines propriétés des nanoparticules de palladium. Comprendre ces propriétés pourrait aider à concevoir d'autres nanoparticules à partir d'autres matériaux qui rivaliseraient avec les capacités du palladium en tant que catalyseur. Le palladium joue un rôle dans des milliers de réactions importantes, de la fabrication de médicaments à la création de nouveaux biocarburants. Par exemple, L'unité Nanoparticles by Design du professeur Mukhles Sowwan et l'unité des systèmes biologiques du professeur Igor Goryanin à l'OIST travaillent avec des réactions catalysées par le palladium pour améliorer l'efficacité des piles à combustible microbiennes. De meilleures nanoparticules de palladium propulseront cette recherche vers l'avant.
"Nous devons comprendre la science fondamentale, " a expliqué Sowwan, qui est le conseiller de Grammatikopoulos. Sowwan dit que le domaine de la nanoscience commence seulement à se diriger vers l'application de la recherche, car il y a encore tant à apprendre sur les propriétés des nanoparticules. "Si vous construisez quelque chose sans comprendre les bases, " Sowwan a dit, "vous ne pourrez pas expliquer les résultats."
