Varme nanopartikler producerer gigantiske og eksplosive bobler

Når guldnano-partikler i vand belyses af en laser, de bliver meget varme:langt over vands kogepunkt. Dannelsen af ​​dampbobler forårsaget af dette, er velkendt. Nye eksperimenter, imidlertid, ved hjælp af et meget højhastighedskamera, vis nu, at før dette, der dannes en boble, der er meget større, og efterfølgende, eksploderer voldsomt. For energiomdannelse af partiklerne til den væske, de er i, denne opdagelse af dynamikken i den tidlige fase er meget vigtig. Forskere fra University of Twente og University of Utrecht i Holland offentliggør nu disse nye resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Nanopartikler fremskynder lokalt kogningen af ​​vand, når laserlys oplyser dem. På overfladen af ​​partiklerne, elektroner svinger kollektivt. Fordampning via disse såkaldte 'plasmoner' er meget stærkere, end hvis du bare lokalt opvarmer vandet ved hjælp af en laser. Indtil nu, den 'tidlige ungdom' af denne bobledannelse blev ikke taget i betragtning, mens denne første fase af nukleation og tidlig dynamik bestemmer de efterfølgende faser i høj grad.

Indtil nu, boblernes adfærd blev undersøgt på tidsskalaer på millisekunder. Takket være det meget hurtige kamera "Brandaris128, "udviklet af University of Twente, det er nu muligt at se selv på nanosekunders tidsskala. Lidt efter at nanopartiklerne er varmet op, der dannes en boble, der er hundrede gange større i volumen end de senere bobler. Denne boble eksploderer, efterfulgt af mindre bobler, der svinger. Til sidst, den velkendte mekanisme tager over, af bobler, der vokser ved fordampning af vand og ved diffusion af gassen, der er opløst i vand.

Intuitivt, du ville forvente, at størrelsen af ​​denne første gigantiske boble bliver større med en højere laserstyrke på nanopartiklerne. I virkeligheden, det er omvendt. Ved en lavere lasereffekt, det tager længere tid for bobledannelsen at starte, men det her er eksplosivt. Størrelsen bestemmes også af mængden af ​​gas i vand:'gasfattigt vand' giver større bobler. Her, også forsinkelsen spiller en rolle. Eksperimenter og beregninger viser, at den gigantiske boble er en ren dampboble og ikke en gasboble:det maksimale volumen er lineært afhængig af energien.

Ved at kontrollere dynamikken og volden ved tidlig start, nanopartiklernes anvendelser kan udnyttes yderligere. Boblerne øger energiomdannelsen, men den eksplosive vækst kan endda forårsage skade i omgivende væv, i medicinske applikationer. Nanopartikler vil blive brugt som katalysatorer, for at fremskynde kemiske reaktioner. For denne ansøgning, den nyopdagede eksplosive vækst kan være en fordel.

Forskningen er blevet udført inden for Hollands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion, et hollandsk "Zwaartekracht"-program rettet mod energiomdannelse i forskellige skalaer. Bidragydere til papiret er fra grupperne:Physics of Fluids, BIOS Lab-on-a-Chip, Fysik af grænseflader og nanomaterialer (University of Twente, MESA+ og TechMed institutter) samt uorganisk kemi og katalyse (University of Utrecht)

Papiret, "Kæmpe og eksplosive plasmoniske bobler ved forsinket kernedannelse, " af Yuliang Wang, Mikhail Zaytsev, Guillaume Lajoinie, Hej Le The, Jan Eijkel, Albert van den Berg, Michel Versluis, Bert Weckhuysen, Xuehua Zhang, Harold Zandvliet og Detlef Lohse, vises 12. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).