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.

Рис. 1. Диффузия сферической частицы через матрицу наноигл в двух типах организации — хаосе (вверху) и нематическом порядке (внизу) (иллюстрация Rigoberto Hernandez / GATech).

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.