納米粒子碰撞時會發生什麼？新研究給出答案！

近期，美國紐約州立大學布法羅分校的科學家領導的團隊對於納米粒子相互撞擊時發生的狀況進行了新研究，有助於未來開發出更好預防腦震蕩的頭盔、防止噪音侵害的耳機、將「廢棄」的振動能量轉化為有用能量的裝置。

背景

也許，未來我們生活中會想用到這些產品：一種更好地預防腦震蕩和其他腦部損傷的頭盔；一種保護人們免受有害噪音侵害的耳機；一種將機場跑道振動產生的「廢棄」能量轉化為有用能量的裝置。

然而，開發這些產品需要我們更加深入的理解碰撞的物理本質，也就是對於微型粒子物質（納米粒子）相互撞擊時發生的狀況進行新的研究。

創新

近期，美國紐約州立大學布法羅分校（ University at Buffalo ）的科學家領導的團隊進行了新的研究，有助於未來實現這些產品。他們採用超級計算機對於在真空中的兩個納米粒子相互碰撞時發生的情況進行建模。團隊模擬的這些納米粒子具有三種不同的表面幾何形狀：圓（表面光滑）；晶面；銳利邊緣。

這項研究於3月21日發表於《Proceedings of the Royal Society A 》，論文作者是 Takato、Sen、Michael E. Benson。科學家們在紐約州立大學布法羅分校的學術超算設施計算研究中心進行了模擬。

技術

紐約州立大學布法羅分校藝術與科學學院物理系教授、論文合著者之一 Surajit Sen 博士表示：「我們的目標就是設計在納米範疇控制能量傳輸的力。一個10個、20個或者50個原子厚度的微型粒子，與大型粒子的表現一樣嗎？這是我們提出的核心問題。」 他補充說：「答案的核心在於是或不是。」

這項新研究聚焦於小型納米粒子，其直徑在5納米到15納米之間。科學家們發現，這種尺寸的粒子在碰撞過程中，根據形狀表現各異。

例如，具有晶面的納米粒子在相互碰撞時，可以很好地傳輸能量，因此它們成為能量採集材料的理想成分。在能量傳輸時，這些粒子遵守肉眼可見的宏觀線性系統（例如彈簧連接同等尺寸質量塊組成的鏈）的科學定律。

（圖片來源：Yoichi Takato）

相比之下，形狀更圓的納米粒子，具有非晶表面，遵守非線性力學定律。相反，這意味著它們可能特別有益於緩衝。當兩個球形納米粒子碰撞時，能量在它們各自相互接觸的起始點附近消散，而不是一直通過它們傳輸。科學家報告稱，在30米每秒的碰撞速度下，每個粒子中的原子只在最初的接觸點附近移動。

（圖片來源：Yoichi Takato）

（圖片來源：Yoichi Takato）

具有銳利邊緣的納米粒子很難進行預測：新研究稱，它們的能量傳輸行為取決於邊緣的銳利度。

價值

日本旭硝子玻璃公司物理學家、日本沖繩科學技術大學院大學前博士後訪問學者、在紐約州立大學布法羅分校作為博士研究生期間完成許多物理學研究的論文第一作者 Yoichi Takato 博士表示：「我們的研究非常有益，它為設計以理想方式傳輸或吸收能量的材料奠定了基礎。例如，你將有望製成一種吸收能量的超薄材料。你可以現象它用於頭盔或者頭飾，幫助防止頭部損傷和格鬥損傷。」

Sen 表示：「從更寬泛的角度來說，我們正在進行的這種研究具有非常令人興奮的前景。它給予工程師們有關納米粒子的基本信息，這是他們之前所沒有的。如果你正在設計出一種新型納米粒子，現在可以考慮一種新方式，它將顧及非常小的納米粒子之間相互交互時的狀況。」

Takato 稱，許多科學家正在對納米技術進行研究，極小的納米粒子相互碰撞時的表現，是一個有爭論的大問題。他說：「當你正在設計一種材料時，你想要將納米粒子設計為哪種尺寸？你怎樣在材料中布局這些納米粒子？你想它帶來哪種效果？我們的研究將有助於這些決策。」

關鍵字

納米、物理、力學

參考資料

【1】http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/04/008.html

【2】Yoichi Takato, Michael E. Benson, Surajit Sen.Small nanoparticles, surface geometry and contact forces. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Science, 2018; 474 (2211): 20170723 DOI: 10.1098/rspa.2017.0723

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