Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Top News

Model gaya van der Waals yang disederhanakan akan memungkinkan simulasi yang sebelumnya tidak mungkin tentang bagaimana nanopartikel segi berkumpul sendiri menjadi struktur yang lebih besar – ScienceDaily


Ilmuwan material di Duke University telah menemukan metode yang disederhanakan untuk menghitung gaya menarik yang menyebabkan nanopartikel berkumpul sendiri menjadi struktur yang lebih besar.

Dengan model baru ini, disertai dengan antarmuka pengguna grafis yang menunjukkan kekuatannya, para peneliti akan dapat membuat prediksi yang sebelumnya tidak mungkin tentang bagaimana partikel nano dengan berbagai bentuk akan berinteraksi satu sama lain. Metode baru ini menawarkan peluang untuk merancang partikel tersebut secara rasional untuk berbagai aplikasi mulai dari memanfaatkan energi matahari hingga mendorong reaksi katalitik.

Hasilnya muncul online pada 12 November di jurnal Horizons Skala Nano.

“Nanopartikel segi dapat mengarah pada perilaku perakitan baru, yang belum dieksplorasi di masa lalu,” kata Brian Hyun-jong Lee, seorang mahasiswa pascasarjana teknik mesin dan ilmu material di Duke dan penulis pertama makalah tersebut. “Kubus, prisma, batang, dan sebagainya semua menunjukkan interaksi antarpartikel yang bergantung pada jarak dan orientasi yang berbeda yang dapat digunakan untuk membuat kumpulan partikel unik yang tidak dapat diperoleh seseorang melalui perakitan sendiri partikel bola.”

“Setiap kali saya membaca kumpulan makalah terbaru yang diterbitkan dalam nanoteknologi, saya melihat beberapa aplikasi baru dari jenis partikel nano ini,” tambah Gaurav Arya, profesor teknik mesin dan ilmu material di Duke. “Tetapi secara akurat menghitung gaya yang menarik partikel-partikel ini bersama-sama pada jarak yang sangat dekat sangat mahal secara komputasi. Kami sekarang telah mendemonstrasikan pendekatan yang mempercepat penghitungan tersebut hingga jutaan kali sementara hanya kehilangan sedikit keakuratan.”

Gaya-gaya yang bekerja antara partikel nano disebut gaya van der Waals. Gaya-gaya ini muncul karena pergeseran kecil dan sementara kerapatan elektron yang mengorbit atom menurut hukum kompleks fisika kuantum. Meskipun gaya ini lebih lemah daripada interaksi antarmolekul lainnya seperti gaya coulomb dan ikatan hidrogen, gaya ini ada di mana-mana dan bekerja di antara setiap atom, seringkali mendominasi interaksi netto antar partikel.

Untuk menjelaskan dengan tepat gaya antar partikel, seseorang harus menghitung gaya van der Waals yang diberikan oleh setiap atom dalam partikel pada setiap atom dalam partikel terdekat. Bahkan jika kedua partikel tersebut adalah kubus kecil dengan ukuran lebih kecil dari 10 nanometer, jumlah kalkulasi yang menjumlahkan semua interaksi antar atom tersebut akan mencapai puluhan juta.

Sangat mudah untuk melihat mengapa mencoba melakukan ini berulang-ulang untuk ribuan partikel yang terletak di posisi berbeda dan dalam orientasi berbeda dalam simulasi multipartikel dengan cepat menjadi tidak mungkin.

“Banyak pekerjaan yang telah dilakukan untuk merumuskan penjumlahan yang mendekati solusi analitis,” kata Arya. “Beberapa pendekatan memperlakukan partikel sebagai yang terdiri dari kubus kecil yang sangat kecil yang saling menempel. Yang lain mencoba mengisi ruang dengan cincin melingkar yang sangat tipis. Sementara strategi diskritisasi volume ini memungkinkan para peneliti mendapatkan solusi analitis untuk interaksi antara geometri partikel sederhana seperti permukaan datar paralel atau partikel bola, strategi semacam itu tidak dapat digunakan untuk menyederhanakan interaksi antara partikel segi karena geometrinya yang lebih kompleks. “

Untuk mengatasi masalah ini, Lee dan Arya mengambil pendekatan berbeda dengan melakukan beberapa penyederhanaan. Langkah pertama melibatkan representasi partikel yang dibuat bukan dari elemen kubik, tetapi elemen berbentuk batang dengan berbagai panjang yang ditumpuk bersama. Model kemudian mengasumsikan bahwa batang yang proyeksinya berada di luar batas yang diproyeksikan dari partikel lain memberikan kontribusi yang dapat diabaikan pada energi interaksi keseluruhan.

Energi yang dikontribusikan oleh batang yang tersisa selanjutnya diasumsikan sama dengan energi batang dengan panjang seragam yang terletak pada jarak normal yang sama dengan batang sebenarnya, tetapi dengan offset lateral nol. Trik terakhir adalah untuk memperkirakan ketergantungan jarak energi partikel batang menggunakan fungsi hukum pangkat yang memiliki solusi bentuk tertutup ketika jarak bervariasi secara linier dengan posisi lateral batang sebenarnya, seperti halnya dengan permukaan datar yang berinteraksi dari segi empat. partikel.

Setelah semua penyederhanaan ini dibuat, solusi analitis untuk energi antar partikel dapat diperoleh, memungkinkan komputer untuk melewatinya. Dan meskipun kedengarannya mereka akan memperkenalkan sejumlah besar kesalahan, para peneliti menemukan bahwa hasilnya hanya 8% dari jawaban sebenarnya untuk semua konfigurasi partikel, dan hanya 25% berbeda pada saat terburuk.

Sementara para peneliti terutama bekerja dengan kubus, mereka juga menunjukkan bahwa pendekatan tersebut bekerja dengan prisma segitiga, batang persegi, dan piramida persegi. Bergantung pada bentuk dan bahan nanopartikel, pendekatan pemodelan dapat memengaruhi berbagai bidang. Misalnya, nanocubes perak atau emas dengan ujung yang berdekatan dapat memanfaatkan dan memfokuskan cahaya ke dalam “hotspot” kecil, menciptakan peluang untuk sensor yang lebih baik atau mengkatalis reaksi kimia.

“Ini adalah pertama kalinya ada orang yang mengajukan model analitis untuk interaksi van der Waals antara partikel-partikel segi,” kata Arya. “Meskipun kami belum menerapkannya untuk menghitung gaya atau energi antarpartikel dalam dinamika molekul atau simulasi perakitan partikel Monte Carlo, kami mengharapkan model tersebut untuk mempercepat simulasi tersebut hingga sepuluh kali lipat.”

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (penghargaan CMMI 1636356, ACI-1053575).

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Universitas Duke. Asli ditulis oleh Ken Kingery. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Slot Online