LLNL-forskare kombinerade ett unikt a) dynamiskt överföringselektronmikroskop med b) en vätskecell för att producera de första c) tidsupplösta bilderna av d) bubbeldynamik i nanoskala. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Bildandet och kollapsen av mikroskopiska bubblor är viktigt inom ett brett spektrum av områden som både en potentiell mekanism bakom vävnadsskada, såsom i fall av blastvågsinducerad traumatisk hjärnskada, och som ett användbart verktyg för tekniska tillämpningar, såsom mekaniska egenskapsutvärdering, nanomaterialmanipulation och ytrengöring.
Nanobubblor har varit av särskilt intresse i dessa områden eftersom trots den lilla mängd energi som behövs för att bildas, öppnar deras extrema lokalisering upp potentialen för stora effekter. Men förståelsen för det dynamiska svaret i sådana småskaliga bubblor har begränsats av de experimentella utmaningarna som är förknippade med sondering ner till nanoskala.
Men forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har tagit ett unikt tillvägagångssätt för att karakterisera dynamiken hos mikro- och submikronbubblor med hjälp av ett unikt system för dynamisk transmissionselektronmikroskopi (MM-DTEM) i filmläge, som byggdes speciellt för att avbilda med korta elektronpulser genereras av ett mycket avstämbart laser-pulståg.
"Medan sekventiell optisk bildåtergivning (dvs. spela in filmer) har bidragit avsevärt till vår förståelse av kavitation och annat komplext bubbelbeteende i större skala (10s av mikrometer till millimeter), gör den nödvändiga längden och tidsupplösningen en sådan traditionell metod omöjlig för nanobubblor , säger LLNL-materialforskaren Garth Egan, huvudförfattare till en artikel som visas i Nano Letters .
Tidigare har optisk bildbehandling med engångsbilder, med korta laserpulser som används för att belysa bubblan vid bestämda tider i förhållande till bubblans initiering, använts för att uppnå den erforderliga tidsupplösningen. Grundläggande begränsningar för den rumsliga upplösningen av optisk mikroskopi begränsar dock det praktiska i detta tillvägagångssätt när bubblor når nanoskalan och den enstaka bildens natur begränsar dess användbarhet för komplexa och icke-repeterbara interaktioner.
För att ta bilderna i nanoskala, sköt LLNL-teamet en 532 nanometer laserpuls (cirka 12 nanosekunder [ns]) för att excitera guldnanopartiklar inuti ett 1,2 mikron lager av vatten. De resulterande bubblorna observerades med en serie av nio elektronpulser (10 ns) separerade med så lite som 40 ns topp-till-topp. Forskarna fann att isolerade nanobubblor observerades att kollapsa på mindre än 50 ns, medan större (~2–3 mikron) bubblor observerades växa och kollapsa på mindre än 200 ns.
Isolerade bubblor observerades bete sig konsekvent med modeller härledda från data från mycket större bubblor. Bildningen och kollapsen observerades vara tidsmässigt asymmetrisk, vilket har konsekvenser för hur resultat från alternativa metoder för experimentell analys tolkas. Mer komplexa interaktioner mellan intilliggande bubblor observerades också, vilket ledde till att bubblor levde längre än förväntat och återhämtade sig vid kollaps. + Utforska vidare
