Composietdeeltjes met submicrongroottes kunnen worden geproduceerd door een suspensie van nanodeeltjes te bestralen met een laserstraal. Tijdens de bestraling vinden gewelddadige fysische en chemische processen plaats, waarvan vele tot nu toe slecht zijn begrepen. Onlangs voltooide experimenten, uitgevoerd aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, hebben een nieuw licht geworpen op enkele van deze puzzels.

Wanneer een laserstraal agglomeraten van nanodeeltjes treft die in een colloïde zijn gesuspendeerd, gebeuren er gebeurtenissen die even dramatisch als nuttig zijn. De enorme temperatuurstijging leidt tot het samensmelten van nanodeeltjes tot een composietdeeltje. Een dun laagje vloeistof naast het verwarmde materiaal verandert snel in damp en hele reeksen chemische reacties vinden plaats onder fysieke omstandigheden die in fracties van een seconde veranderen. Met behulp van deze methode, lasersmelten genaamd, produceerden wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau niet alleen nieuwe nanocomposieten, maar beschreven ze ook enkele van de slecht begrepen processen die verantwoordelijk zijn voor hun vorming.

"Het lasersmeltproces zelf, bestaande uit het bestralen van materiaaldeeltjes in suspensie met ongericht laserlicht, is al jaren bekend. Het wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van materialen met één component. Wij, als een van de slechts twee onderzoeksteams ter wereld , proberen deze techniek te gebruiken om samengestelde submicrondeeltjes te produceren. In dit gebied staat het veld nog in de kinderschoenen, er zijn nog veel onbekenden, vandaar onze vreugde dat sommige puzzels die ons verbijsterden, zojuist zijn ontrafeld, "zegt Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, een professor aan IFJ PAN, de co-auteur van een wetenschappelijk artikel dat zojuist is gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports .

De meest gebruikte en tevens bekendste techniek voor de synthese van nanomaterialen met behulp van laserlicht is laserablatie. Bij deze methode wordt een macroscopisch doel ondergedompeld in een vloeistof en vervolgens gepulseerd met een gefocusseerde laserstraal. Onder invloed van fotoninslagen worden nanodeeltjes van materiaal van het doelwit gescheurd en komen in de vloeistof terecht, waar ze later vrij eenvoudig van te scheiden zijn.

In het geval van lasersmelten is het uitgangsmateriaal nanodeeltjes die eerder in het volledige volume van een vloeistof zijn verdeeld, waar hun losse agglomeraten worden gevormd. De laserstraal die deze keer voor bestraling wordt gebruikt, is verstrooid, maar zo gekozen dat er voldoende energie wordt geleverd om de nanodeeltjes te smelten. Door middel van lasersmelten is het mogelijk materialen te produceren die zijn opgebouwd uit deeltjes variërend in grootte van nanometers tot microns, met verschillende chemische structuren (zuivere metalen, hun oxiden en carbiden) en fysische structuren (homogeen, legeringen, composieten), inclusief die moeilijk om te produceren met andere technieken (bijv. goud-ijzer, goud-kobalt, goud-nikkellegeringen).

Het type materiaal dat tijdens het lasersmelten wordt gevormd, is afhankelijk van veel parameters. Vanzelfsprekend is de grootte en chemische samenstelling van de uitgangsnanodeeltjes belangrijk, evenals de intensiteit, efficiëntie en duur van de laserlichtpulsen. Met de huidige theoretische modellen konden wetenschappers van de IFJ PAN in eerste instantie het proces van het produceren van nieuwe nanocomposieten plannen, maar in de praktijk leidden de pogingen niet altijd tot de creatie van de verwachte materialen. Het was duidelijk dat er factoren in het spel waren waarmee in de modellen geen rekening was gehouden.

Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, een natuurkundige aan de IFJ PAN die verantwoordelijk is voor de theoretische beschrijving van de interactie van nanodeeltjes met laserlicht, presenteert een van de problemen als volgt:

"De agglomeraten van losjes verbonden nanodeeltjes die in de vloeistof zijn gesuspendeerd, absorberen de energie van de laserstraal, warmen op tot boven het smeltpunt en hechten permanent, terwijl ze meer of minder chemische transformaties ondergaan. Onze theoretische modellen laten zien dat de temperatuur van nanodeeltjes kan oplopen tot in sommige gevallen vierduizend Kelvin. Helaas zijn er geen methoden die de temperatuur van de deeltjes direct kunnen meten. Toch zijn het de temperatuur en de veranderingen die de meest kritische factoren zijn die de fysische en chemische structuur van het getransformeerde materiaal beïnvloeden. "

Om de aard van de verschijnselen die optreden tijdens het smelten van lasers beter te begrijpen, gebruikten natuurkundigen van IFJ PAN in hun laatste onderzoek alfa-Fe₂ O₃ hematiet nanodeeltjes. Ze werden in drie verschillende organische oplosmiddelen gebracht:ethylalcohol, ethylacetaat en tolueen. De container met het bereide colloïde werd in een ultrasone wasmachine geplaatst, wat garandeerde dat er geen ongecontroleerde verdichting van deeltjes zou zijn. De monsters werden vervolgens bestraald met laserpulsen van 10 ns, herhaald met een frequentie van 10 Hz, wat, afhankelijk van de versie van het experiment, resulteerde in de vorming van deeltjes met een grootte van 400 tot 600 nanometer.

Door gedetailleerde analyses van de geproduceerde nanocomposieten konden onderzoekers van de IFJ PAN ontdekken hoe, afhankelijk van de parameters van de gebruikte bundel, de kritische grootte kan worden bepaald van de deeltjes die voor het eerst beginnen te veranderen onder invloed van laserlicht. Er werd ook bevestigd dat grotere nanocomposietdeeltjes een lagere temperatuur bereiken, waarbij hematietdeeltjes met een grootte van bijna 200 nm tot de hoogste temperatuur worden verwarmd (theoretische schattingen suggereerden hier de waarde van 2320 K). De meest interessante resultaten in de experimenten bleken echter die met betrekking tot vloeistoffen.

Bovenal was het mogelijk om een ​​verband waar te nemen tussen de diëlektrische constante van de vloeistof en de grootte van de geproduceerde composietdeeltjes:hoe kleiner de constante, hoe groter de agglomeraten. De analyses bevestigden ook de veronderstelling dat een dunne laag vloeistof in de buurt van een verwarmd nanodeeltje tijdens veel chemische reacties snel uiteenvalt. Omdat deze reacties in verschillende vloeistoffen anders plaatsvinden, verschilden de resulterende materialen ook in structuur en chemische samenstelling. De deeltjes geproduceerd in ethylacetaat bestonden uit een praktisch uniform magnetiet, terwijl een magnetiet-wustietcomposiet werd gevormd in ethylalcohol.

“De rol van vloeistoffen bij de productie van nanocomposieten door lasersmelten blijkt belangrijker te zijn dan iedereen eerder dacht. Van veel weten we nog te weinig. Gelukkig suggereren onze huidige resultaten wat de volgende onderzoeksrichtingen zouden moeten zijn. Het uiteindelijke doel is om volledige kennis te verwerven over de processen die plaatsvinden in het colloïde en om theoretische modellen te bouwen die het mogelijk maken om zowel nanocomposieteigenschappen als methoden voor hun productie op grotere schaal nauwkeurig te ontwerpen", zegt Dr. Świątkowska-Warkocka. + Verder verkennen

Wetenschappers maken nieuw nanocomposiet van goud en titaniumoxide