崩溃！科学家解释纳米粒子碰撞时会发生什么

能够更好地预防脑震荡和其他脑损伤的头盔。保护人们免受破坏性噪音的耳机。将“垃圾”能量从机场跑道振动转换为可用功率的设备。

有关纳米粒子的微小物质相互撞击时发生的事件的新研究有朝一日可以为这些技术的发展提供信息。

使用超级计算机，由布法罗大学领导的科学家模拟了当两个纳米粒子在真空中碰撞时会发生什么。该团队对具有三种不同表面几何形状的纳米颗粒进行了模拟：那些大部分是圆形的(具有光滑的外部); 那些有晶面的人; 和那些拥有锋利边缘的人。

研究的共同作者，UB艺术与科学学院物理学教授Surajit Sen博士说：“我们的目标是在纳米尺度上设置控制能量传输的力量。” “当你有一个10,20或50个原子的微小粒子时，它的行为是否仍然与较大的粒子或粒子一样?这就是我们提出的问题的核心。”

“答案的内心，”森补充说，“是的，不是。”

“我们的研究很有用，因为它为设计以所需方式传输或吸收能量的材料奠定了基础，”第一作者Yoichi Takato博士说。Takato是AGC Asahi Glass的物理学家，也是日本冲绳科学技术研究所的前博士后学者，他在UB的物理学博士候选人中完成了大部分研究。“例如，你可能会生产一种吸收能量的超薄材料。你可以想象这对于头盔和头盔的使用是有用的，可以帮助防止头部和战斗伤害。”

该研究于3月21日在Takato，Sen和Michael E. Benson 的皇家学会会刊A上发表，他完成了他作为UB本科物理系学生的部分工作。科学家们在UB的学术超级计算机构计算研究中心进行了模拟。

纳米颗粒崩溃时会发生什么

这项新研究的重点是小纳米粒子 - 直径为5到15纳米的纳米粒子。科学家发现，在碰撞中，这种尺寸的颗粒根据其形状表现不同。

例如，具有晶面的纳米颗粒在彼此碰撞时能够很好地传递能量，使其成为用于收集能量的材料的理想组分。当涉及到能量传输时，这些粒子遵循管理宏观线性系统的科学规范 - 包括在它们之间具有弹簧的相同大小的质量链 - 肉眼可见。

相比之下，具有无定形表面的形状更圆的纳米颗粒遵循非线性力定律。反过来，这意味着它们可能对减轻冲击特别有用。当两个球形纳米粒子碰撞时，能量在每个球体的初始接触点周围消散，而不是一直传播通过两者。科学家报告说，在每秒约30米的碰撞速度下，每个粒子内的原子仅在初始接触点附近移动。

具有锋利边缘的纳米颗粒不太可预测：根据新的研究，它们的行为在输送能量时取决于边缘的锐度而变化。

设计新一代材料

“从一个非常广泛的角度来看，我们正在做的工作有非常令人兴奋的前景，”森说。“它为工程师提供了他们以前没有的纳米粒子的基本信息。如果你正在设计一种新型的纳米粒子，你现在可以考虑以一种考虑当你有非常小的纳米粒子相互作用时会发生什么的方式来做这件事。彼此。“

虽然许多科学家正在研究纳米技术，但是当纳米粒子相互撞击时，最微小的纳米粒子表现的方式在很大程度上是一个悬而未决的问题，Takato说。

“当你设计一种材料时，你想要纳米粒子的尺寸是多少?你将如何将粒子布置在材料中?你希望它是多么紧凑?我们的研究可以告知这些决定，”Takato说。