Laserfokus kaster lys over to kilder til nanopartikeldannelse

Selvom tidligere forskning viser, at metalnanopartikler har egenskaber, der er nyttige til forskellige biomedicinske anvendelser, mange mysterier er tilbage med hensyn til, hvordan disse små materialer dannes, herunder de processer, der genererer størrelsesvariationer. For at knække denne sag, et hold videnskabsmænd vendte sig til beregningsmetoden.

Ledet af Leonid Zhigilei fra University of Virginia (UVA), holdet brugte Oak Ridge Leadership Computing Facility's (OLCF's) 27-petaflop Titan-supercomputer til at modellere interaktionerne mellem korte laserimpulser og metalmål på atomær skala. Kendt som laserablation, denne proces involverer bestråling af metaller med en laserstråle for selektivt at fjerne lag af materiale, som ændrer målets overfladestruktur, eller morfologi, og genererer nanopartikler.

Som en del af bredere forskning i forholdet mellem laserablation og nanopartikelgenerering, Zhigileis team brugte computertimer optjent gennem programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) på at undersøge de mekanismer, der er ansvarlige for at danne to forskellige populationer af nanopartikler. Dette projekt fokuserede udelukkende på, hvordan disse processer manifesterer sig i flydende miljøer, bygger på tidligere forskning, der studerede dem i et vakuum.

For at bekræfte deres resultater, UVA-forskerne samarbejdede med en forskergruppe fra University of Duisburg-Essen, Tyskland. I 2018, deres resultater blev offentliggjort i Nanoskala ; Tidsskriftets bagside indeholdt et laserablationsbillede, som OLCF-datamatiker Benjamin Hernandez lavede ved hjælp af SIGHT, et tilpasseligt visualiseringsværktøj, han udviklede. OLCF er et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility beliggende ved DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Efter virtuelle spor

For at skelne mellem kilderne til nanopartikler kategoriseret som små (mindre end 10 nanometer) og store (10 eller flere nanometer), holdet kørte en række simuleringer af molekylær dynamik på Titan, som modellerede sølv- og guldmål i vand bestrålet med laserablation.

"Disse metaller er stabile, inert, og ikke reagerer aktivt med det omgivende miljø, " sagde Zhigilei. "Desuden, sølv har nyttige antibakterielle egenskaber."

Simuleringsresultaterne indikerede, at små nanopartikler er mere tilbøjelige til at dannes fra kondensation af metaldamp, der hurtigt afkøles gennem dens interaktion med vanddamp, der henviser til, at store kan dukke op, når hydrodynamiske ustabiliteter, som er ustabile strømme af én væske gennem en anden væske med en anden tæthed, få metallet til at gå i opløsning.

Under ablation, laserpulser overophedes en del af metalmålets overflade, fører til en eksplosiv nedbrydning af området til en blanding af damp og små væskedråber. Denne varme blanding udstødes derefter fra det bestrålede mål, danner den såkaldte ablationsfane. Kendt som faseeksplosion eller "eksplosiv kogning, "Dette fænomen er blevet undersøgt grundigt for laserablation i et vakuum.

Imidlertid, når ablation finder sted i et flydende miljø, ablationsfanens interaktion med det omgivende vand komplicerer processen ved at bremse ablationsfanen, hvilket fører til dannelsen af ​​et varmt metallag, der skubber mod vandet.

Denne dynamiske interaktion kan udløse en hurtig række af hydrodynamiske ustabiliteter i det smeltede metallag, får det til at gå helt eller delvist i opløsning og producere store nanopartikler. En velkendt nyhed illustrerer denne adfærd.

"Når du først tænder en lavalampe, den tunge væske sidder oven på den lette væske, men så begynder det at flyde under påvirkning af gravitationsacceleration og skaber nogle interessante strømningsmønstre og partikeldannelse, " sagde Zhigilei. "Noget lignende sker med laserablation - det tunge lag af varmt metal bremses hurtigt af vand, som producerer hydrodynamiske ustabiliteter ved metal-vand-grænsefladen, der genererer store nanopartikler."

Holdet observerede individuelle atomers bevægelser for at ekstrapolere nyttig information om begge veje til nanopartikelgenerering.

"Vi var nødt til hurtigt at dreje fra atomer på en skala fra mindre end en nanometer til hundredvis af nanometer, som krævede løsning af ligninger for hundreder af millioner af atomer i vores simuleringer, " sagde Zhigilei. "Denne type arbejde er kun mulig på store supercomputere som Titan."

Begge processer, der fører til nanopartikelgenerering, finder sted i et forbigående "reaktionskammer" kendt som kavitationsboblen, som er resultatet af interaktionen mellem den varme ablationsfane og det flydende miljø. Ved at studere boblens levetid fra start til slut, forskere kan identificere, hvilke typer af nanopartikler, der dukker op på bestemte stadier.

"Bestråling af et metalmål i vand med laserimpulser skaber et varmt miljø, der fører til formationen, udvidelse, og kollaps af en stor boble svarende til dem, der er skabt ved konventionel kogning, " sagde Zhigilei. "Enhver nanopartikelgenereringsproces sker enten i boblen eller i grænsefladen mellem ablationsfanen og boblens overflade."

Komplementære billeddannelseseksperimenter udført ved Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) bekræftede holdets beregningsresultater ved at afsløre eksistensen af ​​mindre mikrobobler indeholdende nanopartikler, der blev dannet omkring hovedkavitationsboblen.

CENIDE-forskerne lavede også videoer, der demonstrerer produktionen af ​​guldnanopartikler og viser et guldmål nedsænket i et flydende ablationskammer.

En plan for forbedringer

Forskere har traditionelt stolet på synteseteknikker for effektivt at producere nanopartikler gennem en række kemiske reaktioner. Selvom denne proces giver mulighed for præcis kontrol over nanopartikelstørrelsen, kemisk forurening kan forhindre de resulterende materialer i at fungere korrekt. Laserablation undgår denne faldgrube ved at generere overlegen, rense nanopartikler, mens du subtilt støber metal til mere passende konfigurationer.

"Laserablation skaber en fuldstændig ren kolloid opløsning af nanopartikler uden brug af andre kemikalier, og disse uberørte materialer er ideelle til biomedicinske applikationer, " sagde Zhigilei. "Resultaterne af vores beregninger kan hjælpe med at opskalere denne proces og forbedre produktiviteten, så ablation i sidste ende kan konkurrere med kemisk syntese med hensyn til antallet af producerede nanopartikler."

At finde kilden til størrelsesforskellen baner vejen for en fremtid, hvor forskere kan optimere laserablation for at kontrollere størrelsen af ​​rene nanopartikler, gør dem billigere og lettere tilgængelige til potentielle biomedicinske formål såsom selektivt at dræbe kræftceller.

Denne præstation eksemplificerer også fordelene ved laserteknologi, mens der tages skridt til at afdække de grundlæggende faktorer, der påvirker resultaterne af interaktioner mellem en laserimpuls og et metal. Denne viden kan føre til store fremskridt i holdets nanopartikelforskning, såvel som fremskridt inden for laserablation og relaterede teknikker, hvilket igen ville muliggøre mere præcis fortolkning af eksisterende data.

Cheng-Yu Shih, hovedforfatter af Nanoscale papiret og en nyuddannet UVA, arbejder nu på at kombinere modellering med eksperimentelle undersøgelser for yderligere at udforske, hvordan forskellige metaller genererer nanopartikler som reaktion på laserablation.

Zhigilei håber, at forskningen vil resultere i et gennembrud, der fjerner behovet for den kedelige opgave at sortere små og store nanopartikler.