Lasersmeltning:Færre ukendte i lasernanosyntesen af ​​kompositter

Kompositpartikler med submikronstørrelser kan fremstilles ved at bestråle en suspension af nanopartikler med en laserstråle. Voldelige fysiske og kemiske processer finder sted under bestråling, hvoraf mange hidtil har været dårligt forstået. Nyligt afsluttede eksperimenter, udført på Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi i Krakow, har kastet nyt lys over nogle af disse gåder.

Når en laserstråle rammer agglomerater af nanopartikler suspenderet i et kolloid, sker der begivenheder, der er lige så dramatiske, som de er nyttige. Den voldsomme temperaturstigning fører til, at nanopartikler smelter sammen til en sammensat partikel. Et tyndt lag væske ved siden af ​​det opvarmede materiale omdannes hurtigt til damp, og hele sekvenser af kemiske reaktioner finder sted under fysiske forhold, der ændrer sig på brøkdele af et sekund. Ved at bruge denne metode, kaldet lasersmeltning, producerede forskere fra Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow ikke kun nye nanokompositter, men beskrev også nogle af de dårligt forståede processer, der er ansvarlige for deres dannelse.

"Selve lasersmeltningsprocessen, der består af at bestråle partikler af materiale i suspension med ufokuseret laserlys, har været kendt i årevis. Den bruges hovedsageligt til fremstilling af enkeltkomponentmaterialer. Vi som et af kun to forskerhold i verden , forsøger at bruge denne teknik til at producere sammensatte submikronpartikler. I dette område er feltet stadig i sin vorden, der er stadig mange ubekendte, derfor vores glæde over, at nogle gåder, der forvirrede os, lige er blevet optrevlet," siger Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, professor ved IFJ PAN, medforfatter til en videnskabelig artikel, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Scientific Reports .

Den mest udbredte og samtidig bedst kendte teknik til syntese af nanomaterialer ved hjælp af laserlys er laserablation. Med denne metode nedsænkes et makroskopisk mål i en væske og pulseres derefter med en fokuseret laserstråle. Under påvirkning af fotonpåvirkninger rives nanopartikler af materiale fra målet og ender i væsken, hvorfra de senere ret nemt kan adskilles.

Ved lasersmeltning er udgangsmaterialet nanopartikler, der tidligere var fordelt i hele væskens volumen, hvor deres løse agglomerater dannes. Laserstrålen, der bruges til bestråling denne gang, er spredt, men valgt på en sådan måde, at den giver energi i tilstrækkelige mængder til at smelte nanopartiklerne. Ved hjælp af lasersmeltning er det muligt at fremstille materialer, der er konstrueret af partikler, der varierer i størrelse fra nanometer til mikron, af forskellige kemiske strukturer (rene metaller, deres oxider og karbider) og fysiske strukturer (homogene, legeringer, kompositter), herunder de vanskelige at producere med andre teknikker (f.eks. guld-jern, guld-kobolt, guld-nikkel-legeringer).

Den type materiale, der dannes under lasersmeltning, afhænger af mange parametre. Det er klart, at størrelsen og den kemiske sammensætning af startnanopartiklerne er vigtig, ligesom intensiteten, effektiviteten og varigheden af ​​laserlysimpulserne. Nuværende teoretiske modeller gjorde det muligt for forskere fra IFJ PAN i første omgang at planlægge processen med at producere nye nanokompositter, men i praksis førte forsøgene ikke altid til skabelsen af ​​de materialer, der var forventet. Det er klart, at der var faktorer involveret, som ikke var blevet taget i betragtning i modellerne.

Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, en fysiker ved IFJ PAN ansvarlig for den teoretiske beskrivelse af interaktionen mellem nanopartikler og laserlys, præsenterer et af problemerne som følger:

"Agglomeraterne af løst forbundne nanopartikler suspenderet i væsken absorberer laserstrålens energi, opvarmes over smeltepunktet og binder sig permanent, mens de gennemgår større eller mindre kemiske transformationer. Vores teoretiske modeller viser, at temperaturen på nanopartikler kan stige op til op til fire tusinde Kelvin i nogle tilfælde. Desværre er der ingen metoder, der direkte kan måle temperaturen på partiklerne. Alligevel er det temperaturen og dens ændringer, der er de mest kritiske faktorer, der påvirker den fysiske og kemiske struktur af det transformerede materiale."

For bedre at forstå karakteren af ​​de fænomener, der opstår under lasersmeltning, brugte fysikere fra IFJ PAN i deres seneste forskning alpha-Fe₂ O₃ hæmatit nanopartikler. De blev indført i tre forskellige organiske opløsningsmidler:ethylalkohol, ethylacetat og toluen. Beholderen med det forberedte kolloid blev placeret i en ultralydsvasker, som garanterede, at der ikke ville være nogen ukontrolleret komprimering af partikler. Prøverne blev derefter bestrålet med laserimpulser, der varede 10 ns, gentaget med en frekvens på 10 Hz, hvilket, afhængigt af versionen af ​​eksperimentet, resulterede i dannelsen af ​​partikler med størrelser fra 400 til 600 nanometer.

Detaljerede analyser af de producerede nanokompositter gjorde det muligt for forskere fra IFJ PAN at opdage, hvordan det afhængigt af parametrene for den anvendte stråle er muligt at bestemme den kritiske størrelse af de partikler, der først begynder at ændre sig under påvirkning af laserlys. Det blev også bekræftet, at større nanokompositpartikler når lavere temperatur, med hæmatitpartikler af størrelser tæt på 200 nm opvarmet til den højeste temperatur (teoretiske skøn foreslog her værdien af ​​2320 K). De mest interessante resultater i forsøgene viste sig dog at være dem, der omhandlede væsker.

Frem for alt var det muligt at observere en sammenhæng mellem væskens dielektricitetskonstant og størrelsen af ​​de fremstillede kompositpartikler:Jo mindre konstanten var, jo større var agglomeraterne. Analyserne bekræftede også antagelsen om, at et tyndt lag væske nær en opvarmet nanopartikel undergår hurtig nedbrydning under mange kemiske reaktioner. Da disse reaktioner finder sted forskelligt i forskellige væsker, var de resulterende materialer også forskellige i struktur og kemisk sammensætning. Partiklerne fremstillet i ethylacetat bestod af en praktisk talt ensartet magnetit, hvorimod en magnetit-wustit-komposit blev dannet i ethylalkohol.

"Væskens rolle i produktionen af ​​nanokompositter ved lasersmeltning viser sig at være vigtigere, end alle tidligere troede. Vi ved stadig for lidt om mange ting. Heldigvis tyder vores nuværende resultater på, hvad de næste forskningsretninger bør være. Det endelige mål er at få fuld viden om de processer, der finder sted i kolloidet og bygge teoretiske modeller, der ville give mulighed for det præcise design af både nanokompositegenskaber og metoder til deres produktion i større skala," siger Dr. Świątkowska-Warkocka. + Udforsk yderligere

Forskere skaber ny nanokomposit af guld og titaniumoxid