Лазерный мир

С помощью микровзрывов, вызванных сверхкороткими лазерными импульсами, можно синтезировать наноалмазы из этанола и создавать полости в сапфире.

Лазером называют источник света, который позволяет контролировать характеристики излучения – цвет (т. е. длину волны), форму луча и его интенсивность. Более того, современные лазеры позволяют создавать сверхкороткие импульсы продолжительностью порядка фемтосекунд (10-15с.)! При таком кратковременном, но сильно сфокусированном воздействии свет и вещество взаимодействуют особым способом: так называемые нелинейные эффекты преобладают над более привычными нам линейными.

Нелинейные эффекты проявляются, например, во взрывах. Да-да, свет может взрывать, но только в очень маленьких масштабах. Электроны при таком взрыве отрываются от своих атомов, и вещество локально превращается в плазу. Плазма – это сильно ионизированный горячий газ, который считается четвёртым агрегатным состоянием вещества. В общем случае она представляет собой высокопроводящую смесь электронов, ионов (атомов, от которых оторваны электроны) и электронейтральных атомов. Все химические связи разорваны, и все частицы вступают в коллективные взаимодействия.

Лоренс Рапп (L. Rapp) и его коллеги из Бургундского университета во Франции провели эксперимент, в котором сапфировую пластинку облучали 140-фемтосекундным лазерным импульсом с длиной волны 800 нм (инфракрасный диапазон). Взаимодействие интенсивного излучения с сапфиром привело к взрывообразному образованию плазмы в том месте, куда попал лазерный луч. Интенсивность процесса была такова, что даже в таком плотном материале как сапфир (а он в 2 раза плотнее стекла!) образовались микропустоты.

При этом оказалось, что тип лазерного луча сильно влияет на эффективность появления пустот. «Нормальные» лазерные лучи называются гауссовыми, то есть интенсивность в них распределяется от центра к краям пучка согласно гауссову распределению. Бывают и другие, более хитрые типы лучей, например, луч Бесселя: он не дифрагирует (то есть не преломляется и не расходится) и обладает способностью к самовосстановлению. Иными словами, если на пути луча поместить непрозрачный объект, то, пройдя через него, луч сохранит форму и интенсивность. Идеальный луч Бесселя недостижим, так как для него нужна бесконечная энергия, но с помощью конусообразной линзы (аксиконуса) или пространственного модулятора света можно получить так называемый луч Бесселя-Гаусса – достаточно хорошее приближение к свойствам луча Бесселя. В данном эксперименте бесселевы характеристики луча сохранялись на протяжении 32 микрон, что достаточно хорошо, учитывая, что толщина сапфировой мишени составляла 100 микрон.

Интересный результат с использованием фемтосекундных лазерных импульсов для создания плазмы получили Чен-Хон Ни (Chen-Hon Nee) и его коллеги из Малайзии и Тайваня – они добились синтеза наноалмазов с размером кристалла меньше 5 нм.

Первоначально наноалмазы были обнаружены в метеоритах, прилетевших из-за пределов Солнечной Системы и сформированных, вероятно, из межзвёздной пыли (впрочем, точный механизм образования таких метеоритов до сих пор является открытым вопросом в астрономии). В наше время существует несколько методов изготовления наноалмазов: взрывы тротила, химическое паровое осаждение, а так же абляция углеродо-содержащих материалов в жидкости (испарение вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения), но они и неэффективны, и слишком трудоёмки.

Малазийские физики подошли к проблеме с другой стороны. Вместо того чтобы делать наноалмазы из разных аллотропов углерода (химически эквивалентных веществ с разной структурой, например, угля, графита и тд), они решили воспроизвести, хотя бы частично, оригинальные условия, в которых сформировались космические наноалмазы – то есть сделать плазму, содержащую атомы углерода (более подробно про аллотропы углерода и самоорганизацию мы рассказывали в статье про наноцветы.)

При интенсивном облучении этанола лазером с длиной волны 1025 нм (инфракрасная часть спектра) импульсом длиной 500 фемтосекунд, как и в случае сапфира, нелинейные эффекты взаимодействия света с этанолом приводят к образованию плазмы внутри луча. В этих условиях молекулы этанола разваливаются на атомы углерода, кислорода и водорода, и атомы углерода складываются в наноалмазы размером до 5 нм (около 1600 атомов углерода). Благодаря саморегулирующемуся характеру нелинейных эффектов условия образования кристаллов «стандартизованы», благодаря чему размеры наноалмазов варьируют слабо. Это значит, что их не нужно отфильтровывать: после облучения достаточно нанести этанол на подложку и высушить его потоком воздуха. Результаты исследования тоже опубликованы в журнале Scientific Reports.

High aspect ratio micro-explosions in the bulk of sapphire generated by femtosecond Bessel beams

Abstract
Femtosecond pulses provide an extreme degree of confinement of light matter-interactions in high-bandgap materials because of the nonlinear nature of ionization. It was recognized very early on that a highly focused single pulse of only nanojoule energy could generate spherical voids in fused silica and sapphire crystal as the nanometric scale plasma generated has energy sufficient to compress the material around it and to generate new material phases. But the volumes of the nanometric void and of the compressed material are extremely small. Here we use single femtosecond pulses shaped into high-angle Bessel beams at microjoule energy, allowing for the creation of very high 100:1 aspect ratio voids in sapphire crystal, which is one of the hardest materials, twice as dense as glass. The void volume is 2 orders of magnitude higher than those created with Gaussian beams. Femtosecond and picosecond illumination regimes yield qualitatively different damage morphologies. These results open novel perspectives for laser processing and new materials synthesis by laser-induced compression.

http://www.nature.com/articles/srep34286

Наноалмазы считаются биосовместимыми и используются в биотехнологиях. Если отжечь полученные кристаллы в определённых условиях, то внутри может оказаться атом азота, и тогда наноалмаз становится очень сильным и стабильным люминофором, поглощающим свет видимого диапазона с переизлучением красного света; его можно использовать для адресной доставки лекарств в нужный орган или клетку и в качестве маркера при диагностике раковых опухолей. Как видим, иногда игры с лазерами, взрывами и драгоценными камнями могут принести весьма полезные результаты.

Подробнее см.: http://www.nkj.ru/news/29716/