با استفاده از شبیه‌سازی ابرکامپیوتری، محققان به بررسی ساز و کار تشکیل نانوذرات در محیط آبی با استفاده از تابش لیزر به هدف فلزی پرداختند. آنها بینش تازه‌ای درباره دلیل تشکیل نانوذرات با ابعاد مختلف به‌دست آوردند.
شبیه‌سازی تشکیل نانوذرات در محیط آبی
هر چند تحقیقات پیشین درباره نانوذرات فلزی نشان داده بود که این نانوذرات دارای پتانسیل‌های کاربردی زیست پزشکی مختلف هستند، اما اسرار زیادی درباره چگونگی تشکیل این نانوذرات و تاثیر فرآیندها در تعیین ابعاد آنها وجود دارد. برای پاسخ به این سوالات، محققان از راهبرد شبیه‌سازی استفاده کردند.
لئوناید ژیگیلی از دانشگاه ویرجیانا با استفاده از سامانه محاسباتی موسوم به تایتان اقدام به مدل‌سازی برهم‌کنش میان لیزر پالسی و اهداف فلزی در مقیاس اتمی کرد. در این روش، هدف فلزی در معرض تابش‌های لیزر قرار می‌گیرد تا لایه‌برداری از آن انجام شود که این کار منجر به تغییر ساختار هدف شده و نانوذرات تشکیل می‌شوند.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از محاسبات و از طریق برنامه‌ای موسوم به INCITE به بررسی ساز و کار تشکیل دو جمعیت مختلف از نانوذرات پرداختند. این پروژه به‌صورت انحصاری روی چگونگی پیشرفت تشکیل نانوذرات در محیط آبی پرداخت در حالی که پیش از این، روی تشکیل نانوذرات در محیط خلاء کار شده بود.
این گروه روی دو دسته از نانوذرات، کمتر از ده نانومتر و بزرگتر از ده نانومتر، کار کردند. برای این کار آنها شبیه‌سازی دینامیک مولکولی روی تایتان انجام دادند که در آن هدف‌های نقره و طلا در محیط آبی در معرض تابش لیزر قرار می‌گیرند.
نتایج نشان داد که نانوذرات کوچک به احتمال زیاد از متراکم شدن سریع بخار فلز در اثر برهم‌کنش با بخار آب تشکیل می‌شوند در حالی که ذرات بزرگتر زمانی که ناپایداری هیدرودینامیکی رخ داده بوجود می‌آید.
با تابش لیزر، بخشی از سطح فلز هدف بسیار داغ شده که منجر به تجزیه آن منطقه و تشکیل قطرات بخار کوچک می‌شود. این ترکیب داغ سپس از منطقه خارج شده و تشکیل پالم می‌دهد که این موضوع پیش از این در مطالعه فرآیند تشکیل نانوذرات در خلاء بررسی شده‌است.
برهم‌کنش میان پالم با محیط آبی بسیار پیچیده بوده و در نهایت منجر به تولید لایه فلزی داغ در آب می‌شود. برهم‌کنش دینامیکی آب و پالم موجب ناپایداری هیدرودینامیکی در لایه فلزی گداخته شده که این امر منجر به تولید نانوذرات بزرگ می‌شود.
