Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont révélé des comportements auparavant non observés qui montrent comment les détails du transfert de chaleur à l'échelle nanométrique provoquent le changement de forme des nanoparticules dans les ensembles.

Les nouvelles découvertes décrivent trois étapes distinctes d'évolution dans des groupes de nanotiges d'or, de la forme initiale de tige à la forme intermédiaire à une nanoparticule en forme de sphère. La recherche suggère de nouvelles règles pour le comportement des ensembles de nanotiges, fournir des informations sur la façon d'augmenter l'efficacité du transfert de chaleur dans un système à l'échelle nanométrique.

A l'échelle nanométrique, les nanotiges d'or individuelles ont une électronique unique, propriétés thermiques et optiques. La compréhension de ces propriétés et la gestion de la manière dont les collections de ces nanoparticules allongées absorbent et libèrent cette énergie sous forme de chaleur conduiront de nouvelles recherches vers des technologies de nouvelle génération telles que les systèmes de purification de l'eau, matériaux de batterie et recherche sur le cancer.

On sait beaucoup de choses sur le comportement des nanotiges individuelles, mais on sait peu de choses sur le comportement des nanotiges dans des ensembles de millions. Comprendre comment le comportement individuel de chaque nanotige, y compris comment son orientation et son taux de transition diffèrent de ceux qui l'entourent, impacte la cinétique collective de l'ensemble et est essentiel à l'utilisation des nanotiges dans les technologies futures.

"Nous avons commencé avec beaucoup de questions, " a déclaré le physicien d'Argonne Yuelin Li, « comme « Quelle puissance les particules peuvent-elles supporter avant de perdre leur fonctionnalité ? Comment les changements individuels à l'échelle nanométrique affectent-ils la fonctionnalité globale ? Quelle quantité de chaleur est libérée dans la zone environnante ? » Chaque nanotige subit en permanence un changement de forme lorsqu'elle est chauffée au-delà de la température de fusion, ce qui signifie une modification de la surface et donc une modification de ses propriétés thermiques et hydrodynamiques."

Les chercheurs ont utilisé un laser pour chauffer les nanoparticules et des rayons X pour analyser leurs formes changeantes. Généralement, les nanotiges se transforment plus rapidement en nanosphères lorsqu'elles sont alimentées par une intensité de puissance laser plus élevée. Dans ce cas, des comportements d'ensemble complètement différents ont été observés lorsque cette intensité augmentait progressivement. L'intensité de la chaleur appliquée modifie non seulement la forme des nanoparticules à divers rythmes, mais affecte également leur capacité à absorber et à libérer efficacement la chaleur.

"Pour nous, la clé était de comprendre à quel point les nanotiges étaient efficaces pour transférer la lumière en chaleur dans de nombreux scénarios différents, " a déclaré le nanoscientifique Subramanian Sankaranarayanan du Center for Nanoscale Materials d'Argonne. " Ensuite, nous avons dû déterminer la physique derrière la façon dont la chaleur était transférée et toutes les différentes manières dont ces nanotiges pouvaient se transformer en nanosphères. "

Pour observer comment la tige effectue cette transition, les chercheurs lancent d'abord une impulsion laser sur la nanotige suspendue dans une solution aqueuse à la source avancée de photons d'Argonne. Le laser dure moins d'une centaine de femtosecondes, près d'un billion de fois plus vite qu'un clin d'œil. Ce qui suit est une série de sursauts de rayons X focalisés et rapides utilisant une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles. Les données résultantes sont utilisées pour déterminer la forme moyenne de la particule à mesure qu'elle change au fil du temps.

De cette façon, les scientifiques peuvent reconstituer les changements infimes qui se produisent dans la forme de la nanotige. Cependant, comprendre la physique sous-jacente à ce phénomène, les chercheurs devaient approfondir la façon dont les atomes individuels vibrent et se déplacent pendant la transition. Pour ça, ils se sont tournés vers le domaine de la dynamique moléculaire en utilisant la puissance de supercalcul du supercalculateur Mira de 10 pétaflops de l'Argonne Leadership Computing Facility.

Mira a utilisé des équations mathématiques pour identifier les mouvements individuels de près de deux millions d'atomes des nanotiges dans l'eau. En utilisant des facteurs tels que la forme, température et taux de variation, les chercheurs ont construit des simulations de la nanotige dans de nombreux scénarios différents pour voir comment la structure change au fil du temps.

"À la fin, " dit Sankaranarayanan, "Nous avons découvert que les taux de transfert de chaleur pour les nanosphères plus courtes mais plus larges sont inférieurs à ceux de leurs prédécesseurs en forme de tige. Cette diminution de l'efficacité du transfert de chaleur à l'échelle nanométrique joue un rôle clé dans l'accélération de la transition de la tige à la sphère lorsqu'elle est chauffée au-delà de la température de fusion. "