Vue d'ensemble de l'approche utilisée pour dériver des expressions analytiques pour le potentiel d'interaction interparticulaire de van der Waals pour les nanoparticules à facettes. Le modèle passe par une série de simplifications. Un bloc est normalisé dans une position standard. L'autre bloc est alors supposé être un groupement de tiges. Toutes les tiges en dehors des limites du premier bloc sont supposées être négligeables. Le premier bloc est déplacé pour être centré sur chaque tige du deuxième bloc pendant que ses forces sont calculées et additionnées. Crédit :Gaurav Arya, université de Duke
Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont mis au point une méthode simplifiée pour calculer les forces d'attraction qui provoquent l'auto-assemblage des nanoparticules en structures plus grandes.
Avec ce nouveau modèle, accompagné d'une interface utilisateur graphique qui démontre sa puissance, les chercheurs seront en mesure de faire des prédictions auparavant impossibles sur la façon dont les nanoparticules avec une grande variété de formes vont interagir les unes avec les autres. La nouvelle méthode offre des possibilités de conception rationnelle de telles particules pour un large éventail d'applications, de l'exploitation de l'énergie solaire à la conduite de réactions catalytiques.
Les résultats paraissent en ligne le 12 novembre dans la revue Horizons à l'échelle nanométrique.
"Les nanoparticules à facettes peuvent conduire à de nouveaux comportements d'assemblage, qui n'ont pas été explorés dans le passé, " a déclaré Brian Hyun-jong Lee, un étudiant diplômé en génie mécanique et en science des matériaux à Duke et premier auteur de l'article. "Cubes, prismes, les tiges et ainsi de suite présentent toutes des interactions interparticulaires distinctes, dépendantes de la distance et de l'orientation, qui peuvent être utilisées pour créer des assemblages de particules uniques que l'on ne peut pas obtenir par l'auto-assemblage de particules sphériques.
"Chaque fois que je passe en revue la dernière série d'articles publiés sur la nanotechnologie, Je vois une nouvelle application de ces types de nanoparticules, " a ajouté Gaurav Arya, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Mais calculer avec précision les forces qui rapprochent ces particules à très courte distance est extrêmement coûteux en calcul. Nous avons maintenant démontré une approche qui accélère ces calculs des millions de fois tout en ne perdant qu'une petite quantité de précision."
Les forces à l'œuvre entre les nanoparticules sont appelées forces de van der Waals. Ces forces surviennent en raison de petites, décalages temporaires de la densité des électrons en orbite autour des atomes selon les lois complexes de la physique quantique. Bien que ces forces soient plus faibles que d'autres interactions intermoléculaires telles que les forces coulombiques et les liaisons hydrogène, ils sont omniprésents et agissent entre chaque atome, dominant souvent l'interaction nette entre les particules.
Pour bien tenir compte de ces forces entre les particules, il faut calculer la force de van der Waals que chaque atome de la particule exerce sur chaque atome d'une particule voisine. Même si les deux particules en question étaient de minuscules cubes de tailles inférieures à 10 nanomètres , le nombre de calculs additionnant toutes ces interactions interatomiques se chiffrerait en dizaines de millions.
Il est facile de comprendre pourquoi essayer de le faire encore et encore pour des milliers de particules situées à différentes positions et dans différentes orientations dans une simulation multiparticulaire devient rapidement impossible.
"Beaucoup de travail a été fait pour formuler une sommation qui se rapproche d'une solution analytique, " a déclaré Arya. "Certaines approches traitent les particules comme des cubes infiniment petits collés les uns aux autres. D'autres essaient de remplir l'espace avec des anneaux circulaires infiniment minces. Alors que ces stratégies de discrétisation de volume ont permis aux chercheurs d'obtenir des solutions analytiques pour les interactions entre des géométries de particules simples comme des surfaces planes parallèles ou des particules sphériques, de telles stratégies ne peuvent pas être utilisées pour simplifier les interactions entre les particules à facettes en raison de leurs géométries plus complexes."
Pour contourner ce problème, Lee et Arya ont adopté une approche différente en effectuant plusieurs simplifications. La première étape consiste à représenter la particule comme n'étant pas constituée d'éléments cubiques, mais d'éléments en forme de tige de différentes longueurs empilés ensemble. Le modèle suppose alors que les tiges dont les projections tombent en dehors de la limite projetée de l'autre particule contribuent de manière négligeable à l'énergie d'interaction globale.
Les énergies apportées par les tiges restantes sont en outre supposées égales aux énergies des tiges de longueurs uniformes situées à la même distance normale que les tiges réelles, mais avec un décalage latéral nul. L'astuce finale consiste à approximer la dépendance à la distance de l'énergie des particules de tige en utilisant des fonctions de loi de puissance qui ont des solutions de forme fermée lorsque les distances varient linéairement avec la position latérale des tiges réelles, comme c'est le cas avec les surfaces d'interaction plates des particules à facettes.
Une fois toutes ces simplifications effectuées, des solutions analytiques pour les énergies interparticulaires peuvent être obtenues, permettant à un ordinateur de les parcourir. Et bien qu'il puisse sembler qu'ils introduiraient une grande quantité d'erreurs, les chercheurs ont constaté que les résultats n'étaient que de 8% en moyenne par rapport à la réponse réelle pour toutes les configurations de particules, et seulement 25 % différents à leur pire.
Alors que les chercheurs travaillaient principalement avec des cubes, ils ont également montré que l'approche fonctionne avec des prismes triangulaires, tiges carrées et pyramides carrées. Selon la forme et le matériau des nanoparticules, l'approche de modélisation pourrait avoir un impact sur un large éventail de domaines. Par exemple, des nanocubes d'argent ou d'or avec des bords proches les uns des autres peuvent exploiter et concentrer la lumière dans de minuscules "points chauds, " créer une opportunité pour de meilleurs capteurs ou catalyser des réactions chimiques.
"C'est la première fois que quelqu'un propose un modèle analytique pour les interactions de van der Waals entre les particules à facettes, " a déclaré Arya. " Même si nous devons encore l'appliquer pour calculer les forces ou les énergies interparticulaires dans la dynamique moléculaire ou les simulations Monte Carlo de l'assemblage de particules, nous nous attendons à ce que le modèle accélère de telles simulations jusqu'à dix ordres de grandeur."
