Kleine structuren op micro- en nanoschaal in het oppervlak van een materiaal zijn onzichtbaar voor het blote oog, maar spelen een grote rol bij het bepalen van de fysieke, chemisch, en biomedische eigenschappen.

De afgelopen jaren is Chunlei Guo en zijn onderzoeksteam aan de Universiteit van Rochester hebben manieren gevonden om die structuren te manipuleren door laserpulsen naar het oppervlak van een materiaal te stralen. Ze hebben materialen aangepast zodat ze water afstoten, water aantrekken, en absorberen grote hoeveelheden licht - allemaal zonder enige vorm van coating.

Nutsvoorzieningen, Guo, Anatoliy Vorobyev, en Ranran Fang, onderzoekers van het University's Institute of Optics, hebben het onderzoek weer een stap voorwaarts gebracht. Ze hebben een techniek ontwikkeld om te visualiseren, Voor de eerste keer, de volledige evolutie van structurele vorming op micro- en nanoschaal op het oppervlak van een materiaal, zowel tijdens als na het toedienen van een laserpuls.

"Nadat we hadden vastgesteld dat we de eigenschap van een materiaal drastisch konden veranderen door kleine structuren in het oppervlak te creëren, de volgende natuurlijke stap was om te begrijpen hoe deze kleine structuren werden gevormd, " zegt Guo. "Dit is erg belangrijk, want als je eenmaal begrijpt hoe ze zijn gevormd, kun je ze beter beheersen."

Het hebben van die controle zal de weg openen voor verbeteringen in allerlei technologieën, inclusief anticorrosieve bouwmaterialen, energie absorbers, brandstofcellen, ruimte telescopen, ontdooien van vliegtuigen, medische instrumenten, en sanitaire voorzieningen in derdewereldlanden.

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nature Licht:wetenschap en toepassingen , de groep introduceerde een beeldvormingstechniek met verstrooid licht waarmee ze een ultrasnelle film kunnen opnemen van de manieren waarop laserstraling het oppervlak van een materiaal verandert. De techniek opent een venster op het hele proces, vanaf het moment dat een laser het materiaal raakt tot het smelten, voorbijgaande oppervlaktefluctuaties, en herstolling resulterend in permanente micro- en nanostructuren.

Het duurt momenteel ongeveer een uur om een ​​metalen monster van 1 inch bij 1 inch te modelleren. Door te identificeren hoe micro- en nanostructuren worden gevormd, kunnen wetenschappers de creatie van deze structuren stroomlijnen, inclusief het verhogen van de snelheid en efficiëntie van patroonvormende oppervlakken.

Het creëren en veranderen van deze kleine structuren maakt eigenschappen intrinsiek onderdeel van het materiaal en vermindert de behoefte aan tijdelijke chemische coatings.

Om deze effecten te produceren, onderzoekers gebruiken een femtoseconde laser. Deze laser produceert een ultrasnelle puls met een duur van tientallen femtoseconden. (Een femtoseconde is gelijk aan een biljardste van een seconde.)

Het veranderen van de omstandigheden van de laser veroorzaakt veranderingen in de morfologische kenmerken van de oppervlaktestructuren, zoals hun geometrie, maat, en dichtheid, waardoor het materiaal verschillende specifieke fysieke eigenschappen vertoont.

Het is moeilijk om gedetailleerde afbeeldingen en films te maken van gebeurtenissen op micro- en nanoschaal, omdat ze plaatsvinden in een kwestie van femtoseconden, picoseconden (een biljoenste van een seconde), en nanoseconden (een miljardste van een seconde).

Om dit in perspectief te plaatsen:Vorobyev legt uit dat het licht ongeveer een seconde nodig heeft om van de aarde naar de maan te reizen. Echter, licht reist slechts ongeveer een voet in een nanoseconde en ongeveer 0,3 micrometer in een femtoseconde, wat een afstand is die vergelijkbaar is met de diameter van een virus of bacterie.

Een typische videocamera neemt een reeks beelden op met een snelheid van vijf tot 30 frames per seconde. Bij het afspelen van de reeks beelden in realtime, menselijke ogen nemen continue beweging waar in plaats van een reeks afzonderlijke frames.

Dus hoe kon Guo's team frames opnemen met een interval van femtoseconden, picoseconden, en nanoseconden? Ze gebruikten een techniek met verstrooid licht. Tijdens een femtoseconde laserpuls, de straal wordt in tweeën gesplitst:een pompstraal is gericht op het materiële doel om micro- en nanostructurele verandering te veroorzaken, en de tweede sondestraal fungeert als een flitslamp om het proces te verlichten en op te nemen in een CCD-camera - een zeer gevoelig beeldapparaat met hoge resolutiemogelijkheden.

"We hebben heel hard gewerkt om deze nieuwe techniek te ontwikkelen, " zegt Guo. "Met het verstrooide licht pulserend met femtoseconde tijdsintervallen, we kunnen de zeer kleine veranderingen met een extreem hoge snelheid vastleggen. Uit deze beelden kunnen we duidelijk zien hoe de structuren zich beginnen te vormen."

Guo legt uit dat deze techniek voor het visualiseren van verstrooid licht toepassingen heeft voor het vastleggen van elk proces dat op een kleine schaal plaatsvindt. "De techniek die we hebben ontwikkeld, is niet noodzakelijk beperkt tot het bestuderen van de oppervlakte-effecten die in mijn laboratorium zijn geproduceerd. De basis die we in dit werk hebben gelegd, is erg belangrijk voor het bestuderen van ultrasnelle en kleine veranderingen op een materieel oppervlak." Dit omvat het bestuderen van smelten, kristallografie, vloeistofdynamica, en zelfs celactiviteiten.