När guld nanopartiklar i vatten belyses av en laser, de blir väldigt varma:långt över vattnets kokpunkt. Bildandet av ångbubblor som orsakas av detta, är välkänd. Nya experiment, dock, använder en mycket höghastighetskamera, visa nu att innan detta, en bubbla bildas som är mycket större och, senare, exploderar våldsamt. För energiomvandling av partiklarna till vätskan de befinner sig i, denna upptäckt av tidig fasdynamik är mycket viktig. Forskare från University of Twente och University of Utrecht i Nederländerna publicerar nu dessa nya resultat i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).
Nanopartiklar påskyndar lokalt kokningen av vatten när laserljus lyser upp dem. På ytan av partiklarna, elektroner kollektivt oscillerar. Förångning via dessa så kallade "plasmoner" är mycket starkare än om du bara lokalt skulle värma vattnet med en laser. Tills nu, den "tidiga ungdomen" i denna bubbelbildning togs inte med i beräkningen, medan denna första fas av kärnbildning och tidiga dynamik bestämmer de efterföljande faserna i hög grad.
Tills nu, bubbelbeteendet studerades på tidsskalor av millisekunder. Tack vare den mycket snabba kameran "Brandaris128, " utvecklad av University of Twente, det är nu möjligt att titta även på nanosekunders tidsskalan. En liten stund efter att nanopartikeln värmts upp, det bildas en bubbla som är hundra gånger större i volym än de senare bubblorna. Denna bubbla exploderar, följt av mindre bubblor som oscillerar. I slutet, den välkända mekanismen tar över, av bubblor som växer genom förångning av vatten och genom diffusion av gasen som är löst i vatten.
Intuitivt, du kan förvänta dig att storleken på denna initiala jättebubbla blir större med en högre laserkraft på nanopartikeln. I verkligheten, det är tvärtom. Vid lägre lasereffekt, det tar längre tid för bubbelbildningen att starta, men det här är explosivt. Storleken bestäms också av mängden gas i vattnet:'gasfattigt vatten' ger större bubblor. Här, även förseningen spelar roll. Experiment och beräkningar visar att den jättelika bubblan är en ren ångbubbla och inte en gasbubbla:den maximala volymen är linjärt beroende av energin.
Genom att kontrollera dynamiken och våldet som börjar tidigt, nanopartiklarnas tillämpningar kan utnyttjas ytterligare. Bubblorna förbättrar energiomvandlingen, men den explosiva tillväxten kan till och med orsaka skada i omgivande vävnad, i medicinska tillämpningar. Nanopartiklar kommer att användas som katalysatorer, för att påskynda kemiska reaktioner. För denna applikation, den nyupptäckta explosiva tillväxten kan vara en fördel.
Forskningen har gjorts inom Dutch Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion, ett holländskt "Zwaartekracht"-program som syftar till energiomvandling i olika skalor. Bidragsgivare till uppsatsen är från grupperna:Physics of Fluids, BIOS Lab-on-a-Chip, Physics of Interfaces and Nanomaterials (University of Twente, MESA+ och TechMed-instituten) samt oorganisk kemi och katalys (University of Utrecht)
Pappret, "Jätte och explosiva plasmoniska bubblor genom fördröjd kärnbildning, " av Yuliang Wang, Mikhail Zaytsev, Guillaume Lajoinie, Hej Le The, Jan Eijkel, Albert van den Berg, Michel Versluis, Bert Weckhuysen, Xuehua Zhang, Harold Zandvliet och Detlef Lohse, visas 12 juli in Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).
