Små strukturer i mikro- och nanoskala inom ett materials yta är osynliga för blotta ögat, men spelar en stor roll för att bestämma ett materials fysiska, kemisk, och biomedicinska egenskaper.

Under de senaste åren, Chunlei Guo och hans forskargrupp vid University of Rochester har hittat sätt att manipulera dessa strukturer genom att bestråla laserpulser till ett materials yta. De har ändrat material för att få dem att stöta bort vatten, locka till sig vatten, och absorberar stora mängder ljus – allt utan någon typ av beläggning.

Nu, Guo, Anatoliy Vorobyev, och Ranran Fang, forskare vid universitetets institut för optik, har avancerat forskningen ytterligare ett steg framåt. De har utvecklat en teknik för att visualisera, för första gången, den fullständiga utvecklingen av mikro- och nanoskala strukturell bildning på ett material yta, både under och efter appliceringen av en laserpuls.

"Efter att vi bestämt att vi drastiskt kunde förändra ett materials egenskaper genom att skapa små strukturer i dess yta, nästa naturliga steg var att förstå hur dessa små strukturer bildades, " Guo säger. "Detta är mycket viktigt eftersom när du förstår hur de bildas kan du bättre kontrollera dem."

Att ha den kontrollen kommer att öppna vägen för förbättringar av alla typer av teknologier, inklusive rostskyddande byggmaterial, energiabsorbenter, bränsleceller, rymdteleskop, avisning av flygplan, medicinsk instrumentering, och sanitet i tredje världens länder.

I en artikel publicerad i tidskriften Nature Ljus:Vetenskap och tillämpningar , gruppen introducerade en scatter-light avbildningsteknik som gör att de kan spela in en ultrasnabb film av hur laserstrålning förändrar ett materials yta. Tekniken öppnar ett fönster över hela processen, från det ögonblick en laser träffar materialet till att smälta, övergående ytfluktuationer, och återstelnande som resulterar i permanenta mikro- och nanostrukturer.

Det tar för närvarande ungefär en timme att mönstra ett en-tums för en-tums metallprov. Att identifiera hur mikro- och nanostrukturer bildas har potentialen att tillåta forskare att effektivisera skapandet av dessa strukturer – inklusive att öka hastigheten och effektiviteten hos mönstringsytor.

Att skapa och ändra dessa små strukturer gör egenskaperna till en del av materialet och minskar behovet av tillfälliga kemiska beläggningar.

För att producera dessa effekter, forskare använder en femtosekundlaser. Denna laser producerar en ultrasnabb puls med en varaktighet på tiotals femtosekunder. (En femtosekund är lika med en kvadriljondels sekund.)

Ändring av laserns villkor orsakar förändringar i de morfologiska egenskaperna hos ytstrukturerna – såsom deras geometri, storlek, och densitet – vilket leder till att materialet uppvisar olika specifika fysikaliska egenskaper.

Det är svårt att få detaljerade bilder och filmer av händelser i mikro- och nanoskala eftersom de inträffar under några femtosekunder, pikosekunder (en biljondels sekund), och nanosekunder (en miljarddels sekund).

För att sätta detta i perspektiv:Vorobyev förklarar att det tar ungefär en sekund för ljus att resa från jorden till månen. Dock, ljus färdas bara cirka en fot på en nanosekund och cirka 0,3 mikrometer på en femtosekund, vilket är ett avstånd jämförbart med diametern på ett virus eller en bakterie.

En typisk videokamera spelar in en serie bilder med en hastighet av fem till 30 bilder per sekund. När du spelar upp bildserien i realtid, mänskliga ögon uppfattar kontinuerlig rörelse snarare än en serie separata ramar.

Så hur kunde Guos team spela in bildrutor med ett intervall på femtosekunder, pikosekunder, och nanosekunder? De använde en teknik som involverade spritt ljus. Under en femtosekundlaserpuls, strålen är delad i två:en pumpstråle riktas mot materialmålet för att orsaka mikro- och nanostrukturförändringar, och den andra sondstrålen fungerar som en blixtlampa för att lysa upp processen och spela in den i en CCD-kamera – en mycket känslig bildapparat med högupplösta möjligheter.

"Vi arbetade mycket hårt för att utveckla denna nya teknik, " säger Guo. "Med det spridda ljuset pulserande med femtosekunders tidsintervall, vi kan fånga de mycket små förändringarna i en extremt hög hastighet. Från dessa bilder kan vi tydligt se hur strukturerna börjar bildas."

Guo förklarar att denna teknik för visualisering av spritt ljus har tillämpningar för att fånga alla processer som äger rum i en liten skala. "Tekniken vi utvecklade är inte nödvändigtvis begränsad till att bara studera yteffekterna som produceras i mitt labb. Grunden vi lade i detta arbete är mycket viktig för att studera ultrasnabba och små förändringar på en materialyta." Detta inkluderar att studera smältning, kristallografi, vätskedynamik, och även cellaktiviteter.