Объяснено рождение золотых наночастиц из пены
© dazzle-textures/Flickr
Ученые выяснили детали перспективного способа получения наночастиц — лазерной абляции. В отличие от химического синтеза, который используют обычно, этот процесс позволяет получать наночастицы сложной структуры, причем в одну стадию, и с меньшим количеством примесей. Зная, что именно происходит с материалом при абляции, ученые смогут создавать наночастицы заданной формы и свойств, просто управляя параметрами лазерного воздействия. Работа сотрудников Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау и ВНИИ автоматики имени Н.Л. Духова принята к публикации в журнале AIP Conference Proceedings, ее препринт выложен на сайте arXiv.org.
Лазерная абляция — это процесс, при котором от металлической мишени под воздействием лазерного луча отрываются крошечные фрагменты. Она широко используется в аналитической химии: поверхность вещества нагревают лазером, а затем анализируют состав оторвавшегося ионизированного вещества — плазмы. В последнее десятилетие лазерную абляцию стали использовать для получения наночастиц. Чаще всего в этом случае мишень, из которой «выбиваются» наночастицы, помещают в жидкость, чтобы улавливать их. Используя этот метод, можно создавать «сложные» наночастицы, например, состоящие из двух различных материалов.
«По сравнению с химическим синтезом этот процесс намного проще и, к тому же, чище, — объясняет один из авторов новой работы Наиль Иногамов из ИТФ имени Л.Д. Ландау. — Химический синтез — многоступенчатый процесс, включающий множество последовательных реакций. В итоге образующиеся наночастицы нужно очищать от промежуточных продуктов реакций, остатков исходных реагентов и катализаторов. Лазерная абляция позволяет получать "чистые" наночастицы в один шаг».
Технически процесс лазерной абляции довольно прост: в металлическую мишень стреляют лазерным импульсом, место взаимодействия нагревается, от него отрываются крошечные фрагменты — наночастицы. «В микроскоп можно видеть, как при вспышке образуется пузырек пара из окружающей металл жидкости, он расширяется, затем схлопывается, а в жидкости остаются наночастицы, формирующие коллоидный раствор, — описывает процесс Иногамов. — Но это уже конечные стадии, а что происходит до образования пузырька, какие процессы влияют на его характеристики — было совершенно неясно».
В новой работе физики описали начальные стадии процесса и проверили свои выкладки, используя компьютерные модели. В итоге им удалось выяснить, что происходит с мишенью из золота во время и сразу после лазерного воздействия вплоть до момента образования наночастиц.
«Ультракороткая лазерная вспышка быстро нагревает золото до температуры 10-20 тысяч 0C, — поясняет ученый. — При этом давление в нагретом золоте повышается до миллиона атмосфер — при взрыве неядерной бомбы температуры и давления на порядок ниже». Толщина слоя золотого расплава — 200-300 нм, и из-за колоссального давления этот слой стремительно расширяется: его скоростьна границе с водой достигает 2 км/с. Когда разогретый слой расширяется в 1,5-5 раз, в расплаве начинают образовываться пузырьки пара. Они увеличиваются в размерах, и довольно быстро относительный объем паровой фазы становится настолько большим, что расплав с пузырьками переходит в состояние пены.
«Пена разлетается по инерции, "не зная" о присутствии воды, — говорит Иногамов. — "Знает" о ней только внешний край пены, который с водой граничит. Вода сопротивляется расширению пены и сильно тормозит ее. В месте контакта с водой образуется уплотненный слой, в котором пена возвращается в однофазное состояние горячего расплава. Можно представить, как цепочка лыжников спускается с горы, у подножия которой яма. Первые уже провалились в нее, но следующие ничего об этом не знают. Они продолжают спускаться и тоже падают — в конце концов, в яме оказываются все лыжники. Точно так же вся пена постепенно "сваливается в яму" на границе с водой и перестает быть пеной, превращаясь более плотный контактный слой».
Развитие неустойчивости в месте контакта золота (показано желтым) и воды (показана голубым). Возле контакта вода имеет более светлый цвет – так обозначен нагрев воды от горячего расплава золота. На двух левых кадрах изображено, как золото переходит из состояния сплошной жидкой фазы в состояние пены. Пена летит вверх быстрее, чем движется вверх контактный слой (показан темно-желтым),поэтому фрагменты пены аккумулируются им, и толщина контактного слоя растет. Постепенно на границе золота и воды начинают образовываться возмущения, «ножки» которых со временем истончаются и обрываются
«До сих пор большинство теорий, описывающих лазерную абляцию, не учитывали наличие принимающей жидкой среды, не делая существенных различий между расширением в жидкость и расширением в вакуум — поясняет физик. — Считалось, что металл испаряется, пар сильно расширяется, при расширении остывает и конденсируется, формируя капли-наночастицы. Мы объяснили, как на абляцию влияет вода, и выяснили роль контактного слоя. Получается, что при рассматриваемых нами энергиях и длительности лазерного импульса в несколько пикосекунд или короче пар золота остается отделенным от воды контактным слоем, имеет небольшой объем (нет сильного расширения пара) и, таким образом, если и есть конденсация пара золота в капли, то эти капли в воду не попадают».
Когда ученые окончательно разберутся с физикой процесса лазерной абляции в жидкости, они смогут направленно подбирать параметры, чтобы получать наночастицы с заранее заданными характеристиками. «Можно менять поглощенную энергию, длительность импульса, размер пятна облучения, — подытоживает Иногамов. — Интересные результаты могут получиться, если делать нагрев мишени неоднородным: по нашим предварительным расчетам, в этом случае капли-наночастицы будут заметно более крупными. Кроме того, можно взять легкий металл и плотную жидкость — в этом случае, не будет проявляться неустойчивость, и весь процесс кардинально поменяется».
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.