Multiframe-billeddannelse af mikron- og nanoskala bobledynamik

Dannelsen og kollapsen af ​​mikroskopiske bobler er vigtig inden for en lang række områder som både en potentiel mekanisme bag vævsskade, såsom i tilfælde af blast-bølge-induceret traumatisk hjerneskade, og som et nyttigt værktøj til teknologiske anvendelser, såsom mekaniske egenskabsvurdering, manipulation af nanomaterialer og overfladerensning.

Nanobobler har været af særlig interesse i disse områder, fordi på trods af den lille mængde energi, der er nødvendig for dannelsen, åbner deres ekstreme lokalisering potentialet for store påvirkninger. Forståelsen af ​​den dynamiske respons i sådanne små bobler er imidlertid blevet begrænset af de eksperimentelle udfordringer forbundet med sondering ned til nanoskalaen.

Men Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmænd har taget en unik tilgang til at karakterisere dynamikken i mikro- og submikronbobler ved hjælp af et unikt film-mode dynamisk transmissionselektronmikroskopi (MM-DTEM) system, som var specielt bygget til at afbilde med korte elektronimpulser genereret af et meget afstembart laser-pulstog.

"Selvom sekventiel optisk billeddannelse (dvs. optagelse af film) har bidraget væsentligt til vores forståelse af kavitation og anden kompleks bobleadfærd i større skala (10s af mikrometer til millimeter), gør den nødvendige længde og tidsmæssige opløsninger en sådan traditionel tilgang umulig for nanobobler ," sagde LLNL-materialeforsker Garth Egan, hovedforfatter til et papir, der vises i Nano Letters .

Tidligere er enkeltskuds optisk billeddannelse med korte laserimpulser brugt til at belyse boblen på fastsatte tidspunkter i forhold til bobleinitiering blevet anvendt for at opnå den nødvendige tidsmæssige opløsning. Grundlæggende begrænsninger for den rumlige opløsning af optisk mikroskopi begrænser imidlertid det praktiske ved denne tilgang, når bobler når nanoskalaen, og enkeltbilledets natur begrænser dets anvendelighed til komplekse og ikke-gentagelige interaktioner.

For at tage billederne i nanoskala skød LLNL-teamet en 532 nanometer laserpuls (ca. 12 nanosekunder [ns]) for at excitere guldnanopartikler inde i et 1,2 mikron lag vand. De resulterende bobler blev observeret med en serie på ni elektronimpulser (10 ns) adskilt med så lidt som 40 ns top-to-peak. Forskerne fandt ud af, at isolerede nanobobler blev observeret at kollapse på mindre end 50 ns, mens større (~2-3 mikron) bobler blev observeret at vokse og kollapse på mindre end 200 ns.

Isolerede bobler blev observeret at opføre sig konsistent med modeller afledt af data fra meget større bobler. Dannelsen og kollapset blev observeret at være tidsmæssigt asymmetrisk, hvilket har betydning for, hvordan resultater fra alternative metoder til eksperimentel analyse fortolkes. Mere komplekse interaktioner mellem tilstødende bobler blev også observeret, hvilket førte til, at bobler levede længere end forventet og vendte tilbage ved kollaps. + Udforsk yderligere

Røntgen-flash-billeddannelse af laser-inducerede bobler og chokbølger i vand