Kompozytowe cząstki o rozmiarach submikronowych można wytwarzać oświetlając zawiesinę nanocząstek wiązką laserową. W trakcie naświetlania zachodzą gwałtowne procesy fizyczne i chemiczne, z których wiele pozostawało słabo poznanych. Zakończone niedawno eksperymenty, zrealizowane w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, bardzo dosłownie rzuciły nowe światło na część z dotychczasowych zagadek.
Gdy wiązka laserowa uderza w zawieszone w koloidzie aglomeraty nanocząstek, dzieją się rzeczy równie dramatyczne, co użyteczne. Ogromny wzrost temperatury prowadzi do stopienia nanocząstek w drobinę kompozytu. Cienka warstwa cieczy przy rozgrzanym materiale gwałtownie przekształca się w parę, w zmieniających się w ułamkach sekund warunkach fizycznych zachodzą całe ciągi reakcji chemicznych. Za pomocą przedstawionej tu metody, nazywanej topieniem laserowym, naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie nie tylko wy tworzyli nowe nanokompozyty, ale również opisali część słabo rozumianych procesów odpowiedzialnych za ich powstawanie.
„Samo topienie laserowe, polegające na naświetlaniu drobin materiału w zawiesinie nieskupionym światłem laserowym, jest znane od lat. Stosuje się je głównie do wytwarzania materiałów jedno składnikowych. My, jako jeden z zaledwie dwóch zespołów badawczych na świecie, próbujemy używać tej techniki do wytwarzania kompozytowych cząstek submikronowych. W tym obszarze dziedzina dopiero raczkuje, wciąż wiele rzeczy pozostaje nieznanych, stąd nasza radość z faktu, że pewne nurtujące nas zagadki udało się właśnie rozwikłać”, mówi dr hab. Żaneta Świątkowska Warkocka, prof. IFJ PAN, współautorka artykułu naukowego właśnie opublikowanego przez znane czasopismo „Scientific Reports”.
Najpowszechniej stosowaną i jednocześnie najlepiej poznaną techniką syntezy nanomateriałów z użyciem światła laserowego jest ablacja laserowa: w cieczy zanurza się tarczę o rozmiarach ma kroskopowych, a następnie impulsowo oświetla się ją skupioną wiązką laserową. Pod wpływem uderzeń fotonów nanodrobiny materiału są wyrywane z tarczy i trafiają do cieczy, z której później można je dość łatwo odseparować.
W przypadku topienia laserowego materiałem wyjściowym są nanocząstki wcześniej rozprowadzone w całej objętości cieczy, gdzie formują się ich luźne aglomeraty. Używana do oświetlenia wiązka laserowa tym razem jest rozproszona, ale tak dobrana, by dostarczać energię w ilościach wystarczających do stopienia nanocząstek. Za pomocą topienia laserowego można wytwarzać materiały zbudowane z cząstek o rozmiarach od nanometrów do mikronów, o zróżnicowanej budowie chemicznej (czyste metale, ich tlenki i węgliki) oraz fizycznej (jednorodne, stopy, kompozyty), w tym trudne do wyprodukowania innymi technikami (np. stopy złoto-żelazo, złoto-kobalt, złoto-nikiel).
Rodzaj materiału formującego się podczas topienia laserowego zależy od wielu parametrów. Co oczywiste, istotny jest rozmiar i skład chemiczny wyjściowych nanocząstek, a także intensywność oraz efektywność i czas oddziaływania impulsów światła laserowego. Obecne modele teoretyczne pozwalały naukowcom z IFJ PAN wstępnie planować proces wytwarzania nowych nanokompozytów, jednak w praktyce próby nie zawsze prowadziły do powstania takich materiałów, jakich oczekiwano. Najwyraźniej w grę wchodziły czynniki, których w modelach jeszcze nie uwzględniono.
Dr Mohammad Sadegh Shakeri, fizyk z IFJ PAN odpowiedzialny m.in. za opis teoretyczny oddzia ływania nanodrobin ze światłem laserowym, tak przedstawia jeden z problemów:
„Zawieszone w cieczy aglomeraty luźno złączonych nanocząstek absorbują energię wiązki lasero wej, rozgrzewają się powyżej temperatury topnienia i trwale się spajają, przy okazji ulegając mniej szym bądź większym przekształceniom chemicznym. Z naszych modeli teoretycznych wynika, że temperatura nanocząstek może w pewnych przypadkach wzrastać nawet do czterech tysięcy kel winów. Niestety, nie istnieją metody pozwalające na bezpośrednie zmierzenie temperatury drobin. A przecież to właśnie temperatura i jej zmiany to najbardziej krytyczne czynniki wpływające na strukturę fizyczną i chemiczną przekształcanego materiału!”.
Aby lepiej zrozumieć istotę zjawisk zachodzących podczas topienia laserowego, w swoich najnow szych badaniach fizycy z IFJ PAN używali nanocząstek hematytu alfa-Fe2O3. Były one wprowadza ne do trzech różnych rozpuszczalników organicznych: alkoholu etylowego, octanu etylu i toluenu. Pojemnik z przygotowanym koloidem umieszczano w płuczce ultradźwiękowej, która gwarantowa ła, że nie dojdzie do niekontrolowanego zagęszczania drobin. Próbki naświetlano następnie impul sami laserowymi trwającymi 10 ns, powtarzanymi z częstotliwością 10 Hz, co w zależności od wer sji eksperymentu skutkowało formowaniem się cząstek o rozmiarach od 400 do 600 nanometrów.
Szczegółowe analizy wyprodukowanych nanokompozytów pozwoliły badaczom z IFJ PAN odkryć, w jaki sposób w zależności od parametrów użytej wiązki można wyznaczyć krytyczny rozmiar czą stek, które jako pierwsze zaczynają ulegać przemianom pod wpływem światła laserowego. Po twierdzono także, że w badanych przypadkach aglomeraty o większych rozmiarach osiągały niż sze temperatury, a do największej temperatury rozgrzewały się drobiny hematytu o wielkościach około 200 nm (oszacowania teoretyczne sugerowały tu wartość 2320 K). Lecz najciekawsze oka zały się rezultaty dotyczące użytych w eksperymentach cieczy.
Przede wszystkim udało się zaobserwować zależność między stałą dielektryczną cieczy a rozmia rami drobin wytworzonego kompozytu: im stała była mniejsza, tym rozmiar aglomeratów był więk szy. Analizy potwierdziły także przypuszczenie, że cienka warstwa cieczy przy rozgrzanej nanoczą stce ulega gwałtownej dekompozycji w ciągu wielu reakcji chemicznych. Ponieważ reakcje te w różnych cieczach przebiegają w różny sposób, powstające materiały także się różniły, zarówno budową, jak i składem chemicznym. Cząstki wyprodukowane w octanie etylu składały się tylko z magnetytu, podczas gdy w alkoholu etylowym formował się kompozyt magnetytu z wustytem.
„Rola cieczy w produkcji nanokompozytów metodą topienia laserowego okazuje się być bardziej istotna niż się wszystkim do tej pory wydawało. Niestety, o wielu rzeczach nadal wiemy zbyt mało. Nasze obecne wyniki na szczęście podpowiadają, jakie powinny być kolejne kierunki badań. Osta tecznym celem jest zdobycie pełnej wiedzy o procesach zachodzących w koloidzie i zbudowanie modeli teoretycznych, które pozwoliłyby precyzyjnie projektować zarówno własności nanokompo zytów, jak i sposoby ich produkcji na szerszą skalę”, podsumowuje dr Świątkowska-Warkocka.
Opisane badania sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki.
