3D-моделирование выявило важные особенности диффузионного поведения наночастиц

Некоторые наноразработки полагаются на то, как наночастицы движутся и диффундируют в неидеальных или даже экстремальных условиях. Ригоберто Эрнандес, химик из Технологического университета штата Джорджия (США), вплотную занялся проблемой взаимосвязи между диффузией и свойствами наносистемы, использовав компьютерное моделирование трёхмерной динамики движения частиц. Его работа, рассматривающая перемещение сферических частиц в среде статических наноигл (коротких наностержней), удостоилась обложки февральского выпуска Journal of Physical Chemistry B.

Г-н Эрнандес исследовал матрицу из стержнеобразных наноигл в двух предельных случаях организации — при полном беспорядке (изотропия) и абсолютной упорядоченности нематического типа (параллельные нити уложенных строго друг за другом коротеньких наноиголок). В состоянии хаотического беспорядка, согласно расчётной модели, сферические наночастицы двигались бы сквозь матрицу равномерно во всех направлениях. Напротив, при нематической ориентации, когда каждая иголочка располагалась в одном и том же направлении, частицы диффундировали сквозь нематическую матрицу только по ориентации игл. Иными словами, частицы двигались строго по каналам между нитями из наноигл, что довольно очевидно.

Удивило другое: в нематическом окружении частицы диффундировали быстрее, чем в хаотической матрице. То есть каналы, образованные упорядоченными нанонитями, не просто проводят наночастицы в единственном направлении (вдоль каналов); они также обеспечивают им возможность разгоняться, пролетая по каналу.

При увеличении плотности нематической матрицы каналы становятся всё более и более тесными, и скорость диффузии частиц в них, как и следовало ожидать, резко падает. А вот что оказалось неожиданным, так это то, что нематическая матрица продолжала и в этом случае обеспечивать более высокую скорость диффузии, чем хаотическая (хотя, казалось бы, в хаосе частицы не ограничены одним направлением, не должны толпиться в узких каналах, а имеют возможность двигаться туда, куда укажет градиент, избирая любой подходящий маршрут и обходя зоны повышенной скученности).

По словам исследователя, полученные результаты приближают нас к созданию наноразмерных устройств, которые позволили бы контролировать потоки наночастиц.

Например, если необходимо, чтобы частица диффундировала в строго определённом направлении с конкретной скоростью, можно спровоцировать ориентацию наностержней в требуемом направлении. Если нужно поменять направление распространения частиц, просто переориентируйте нанонити. Причём триггером для переориентации может стать даже сам факт недостаточного количества наночастиц в данном пространстве устройства. Таким образом, следующая переориентация наностержней будет стремиться восстановить популяцию наночастиц, присутствие которых в достаточном количестве именно на этом участке может быть необходимо для каких-то дальнейших действий — к примеру, для усиления светового потока.

Подготовлено по материалам Технологического университета штата Джорджия.