Kompositpartiklar med submikronstorlekar kan framställas genom att bestråla en suspension av nanopartiklar med en laserstråle. Våldsamma fysikaliska och kemiska processer äger rum under bestrålning, av vilka många hittills har varit dåligt förstått. Nyligen avslutade experiment, utförda vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow, har kastat nytt ljus över några av dessa pussel.

När en laserstråle träffar agglomerat av nanopartiklar suspenderade i en kolloid inträffar händelser som är lika dramatiska som användbara. Den enorma temperaturökningen leder till att nanopartiklar smälter samman till en kompositpartikel. Ett tunt lager vätska bredvid det uppvärmda materialet omvandlas snabbt till ånga, och hela sekvenser av kemiska reaktioner äger rum under fysikaliska förhållanden som förändras på bråkdelar av en sekund. Med den här metoden, kallad lasersmältning, producerade forskare från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow inte bara nya nanokompositer, utan beskrev också några av de dåligt förstådda processer som är ansvariga för deras bildning.

"Själva lasersmältningsprocessen, som består av att bestråla partiklar av material i suspension med ofokuserat laserljus, har varit känd i åratal. Den används främst för tillverkning av enkomponentmaterial. Vi, som ett av endast två forskarlag i världen , försöker använda den här tekniken för att producera sammansatta submikrona partiklar. I det här området är fältet fortfarande i sin linda, det finns fortfarande många okända, därav vår glädje över att några pussel som förbryllade oss just har nystas upp", säger Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, professor vid IFJ PAN, medförfattare till en vetenskaplig artikel som just publicerats i tidskriften Scientific Reports .

Den mest använda och samtidigt mest kända tekniken för syntes av nanomaterial med hjälp av laserljus är laserablation. Med denna metod sänks ett makroskopiskt mål i en vätska och pulseras sedan med en fokuserad laserstråle. Under påverkan av fotonpåverkan slits nanopartiklar av material från målet och hamnar i vätskan, från vilken de senare kan separeras ganska enkelt.

Vid lasersmältning är utgångsmaterialet nanopartiklar som tidigare fördelats i hela volymen av en vätska, där deras lösa agglomerat bildas. Laserstrålen som används för bestrålning denna gång är spridd, men vald på ett sådant sätt att den ger energi i tillräckliga mängder för att smälta nanopartiklarna. Med hjälp av lasersmältning är det möjligt att framställa material som är konstruerade av partiklar som varierar i storlek från nanometer till mikron, av olika kemiska strukturer (rena metaller, deras oxider och karbider) och fysikaliska strukturer (homogena, legeringar, kompositer), inklusive de svåra. att producera med andra tekniker (t.ex. guld-järn, guld-kobolt, guld-nickellegeringar).

Vilken typ av material som bildas under lasersmältning beror på många parametrar. Uppenbarligen är storleken och den kemiska sammansättningen av startnanopartiklarna viktiga, liksom intensiteten, effektiviteten och varaktigheten av laserljuspulserna. Nuvarande teoretiska modeller gjorde det möjligt för forskare från IFJ PAN att initialt planera processen för att producera nya nanokompositer, men i praktiken ledde försöken inte alltid till skapandet av de material som förväntades. Uppenbarligen fanns det faktorer inblandade som inte hade beaktats i modellerna.

Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, en fysiker vid IFJ PAN ansvarig för den teoretiska beskrivningen av interaktionen mellan nanopartiklar och laserljus, presenterar ett av problemen enligt följande:

"Agglomeraten av löst sammankopplade nanopartiklar suspenderade i vätskan absorberar laserstrålens energi, värms upp över smältpunkten och binder sig permanent, samtidigt som de genomgår större eller mindre kemiska omvandlingar. Våra teoretiska modeller visar att temperaturen på nanopartiklar kan öka upp till t.ex. fyra tusen Kelvin i vissa fall. Tyvärr finns det inga metoder som direkt kan mäta temperaturen på partiklarna. Ändå är det temperaturen och dess förändringar som är de mest kritiska faktorerna som påverkar den fysiska och kemiska strukturen hos det transformerade materialet."

För att bättre förstå karaktären av fenomenen som uppstår under lasersmältning använde fysiker från IFJ PAN i sin senaste forskning alfa-Fe₂ O₃ hematit nanopartiklar. De infördes i tre olika organiska lösningsmedel:etylalkohol, etylacetat och toluen. Behållaren med den beredda kolloiden placerades i en ultraljudstvätt, vilket garanterade att det inte skulle ske någon okontrollerad komprimering av partiklar. Proverna bestrålades sedan med laserpulser som varade i 10 ns, upprepade med en frekvens på 10 Hz, vilket, beroende på versionen av experimentet, resulterade i bildandet av partiklar med storlekar från 400 till 600 nanometer.

Detaljerade analyser av de producerade nanokompositerna gjorde det möjligt för forskare från IFJ PAN att upptäcka hur det, beroende på parametrarna för den använda strålen, är möjligt att bestämma den kritiska storleken på de partiklar som först börjar förändras under påverkan av laserljus. Det bekräftades också att större nanokompositpartiklar når lägre temperatur, med hematitpartiklar av storlekar nära 200 nm uppvärmda till den högsta temperaturen (teoretiska uppskattningar föreslog här värdet 2320 K). De mest intressanta resultaten i experimenten visade sig dock vara de som gällde vätskor.

Framför allt var det möjligt att observera ett samband mellan vätskans dielektricitetskonstant och storleken på de producerade kompositpartiklarna:ju mindre konstant, desto större var agglomeraten. Analyserna bekräftade också antagandet att ett tunt lager vätska nära en uppvärmd nanopartikel genomgår snabb nedbrytning under många kemiska reaktioner. Eftersom dessa reaktioner sker olika i olika vätskor skilde sig de resulterande materialen också i struktur och kemisk sammansättning. Partiklarna som producerades i etylacetat bestod av en praktiskt taget enhetlig magnetit, medan en magnetit-wustit-komposit bildades i etylalkohol.

"Vätskors roll i produktionen av nanokompositer genom lasersmältning visar sig vara viktigare än alla tidigare trott. Vi vet fortfarande för lite om många saker. Lyckligtvis tyder våra nuvarande resultat på vad nästa forskningsriktning bör vara. Det slutliga målet är att få full kunskap om de processer som äger rum i kolloiden och bygga teoretiska modeller som skulle möjliggöra den exakta designen av både nanokompositegenskaper och metoder för deras produktion i större skala, säger Dr. Świątkowska-Warkocka. + Utforska vidare

Forskare skapar ny nanokomposit från guld och titanoxid