Лазерный мир

Новый метод позволит создавать наночастицы с заданными свойствами и формой.

Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау и ВНИИ автоматики имени Н.Л. Духова в деталях изучили процесс получения сложных наночастиц с помощью лазера. Теперь с помощью тонкого управления параметрами лазерного воздействия ученые смогут создавать наночастицы с заданной формой и свойствами. До сих пор было неясно, что именно происходит с материалом при обработке лазером. Соответствующая статья принята к публикации в журнале AIP Conference Proceedings, а с ее текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета.

Лазерная абляция — это процесс, при котором поверхность вещества нагревают лазером.

Из-за этого часть вещества ионизируется и превращается в плазму, которая отрывается от поверхности основной массы материала и вылетает в пространство экспериментальной камеры. Раньше абляцию использовали лишь для анализа химического состава соединений, но в последнее десятилетие выяснилось, что с ее помощью можно получать наночастицы. Как правило, мишень с целевым соединением при этом помещают в жидкость — так проще «ловить» образующиеся наночастицы.

Метод этот заметно чище (меньше посторонних частиц) и проще обычного химического синтеза, который требует множества промежуточных ступеней: очистки от остатков исходных компонентов реакций, катализаторов и так далее. При лазерной абляции «химии» как таковой нет, значит, и очистка почти не требуется. К тому же мишень можно сделать из двух разных материалов, и тогда на выходе будет получена «сложная» наночастица, что для химического синтеза за один прием нереально. Проблема с абляционным методом является обратной стороной его плюсов. Он простой и быстрый — настолько, что вообще сложно понять, что там происходит до образования пузырька в жидкости и отрыва наночастиц от вещества мишени.

В своей новой работе физики описали, как должны проходить начальные стадии процесса абляции (до появления пузырька), и затем проверили свои выкладки, используя компьютерные модели. Выяснилось, что при наработке золотых наночастиц ультракороткая лазерная вспышка быстро нагревает золото до температуры 10 000 — 20 000 градусов Цельсия, а давление в точке нагрева достигает миллиона атмосфер.

Толщина слоя золотого расплава при этом — около 200—300 нанометров. Из-за колоссального давления этот слой стремительно расширяется — на границе с окружающей золотую мишень водой его скорость достигает двух километров в секунду. Когда разогретый слой увеличивается в 1,5—5 раз, в расплаве начинают образовываться пузырьки пара. Они быстро расширяются, и расплав с пузырьками переходит в состояние пены из золота.

Процесс отделения наночастиц золота. Изображение: Институт теоретической физики имени Л.Д. Ландау

В месте контакта с водой у пузырьков золотой пены образуется уплотненный слой, в котором она возвращается в состояние горячего расплава. Авторы показали, что граница между контактным слоем и водой оказывается не гладкой. В месте контакта с обеих сторон образуются возмущения — выросты, которые постепенно увеличиваются и взаимопроникают друг в друга. Золотые выросты «заползают» в воду, а водяные — в золото. Такой процесс называется неустойчивостью Рэлея — Тэйлора. Выросты золотого флюида все больше вытягиваются в воду, пока не истончаются настолько, что ножка разрывается и отрывается золотая капелька-наночастица. Отрыв наночастиц начинается примерно через наносекунду после начала вспышки от лазерного импульса.

При рассматриваемых энергиях и длительности лазерного импульса в несколько пикосекунд или короче пар в золоте остается отделенным от воды контактным слоем, имеет небольшой объем и, таким образом, наночастиц не образуется — нужно поднять время нагрева, чтобы из пены получился конечный продукт. Когда ученые окончательно разберутся с физикой процесса лазерной абляции в жидкости, они смогут направленно подбирать параметры лазерного обстрела так, чтобы получать наночастицы с заранее заданными характеристиками. Например, если делать нагрев мишени неоднородным, то, по расчетам авторов, капли-наночастицы будут заметно более крупными.

Источник: https://chrdk.ru/news/fiziki-nauchilis-vyzhigat-lazerom-nanochastitcy-iz-zolotoi-peny