Mniej niewiadomych przy laserowej nanosyntezie kompozytów
EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/963582]
31 sierpnia 2022
Zdjęcie mikroskopowe nanocząstek jednego z kompozytów otrzymanego metodą topienia laserowego. Kolory fałszywe, obrazują rozmieszczenie tlenu, żelaza, węgla i krzemu zgodnie z legendą widoczną w lewym dolny rogu. (Źródło: IFJ PAN)
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 wytworzyli 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 jednoskładnikowych. 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 makroskopowych, 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. Najwyraźnie w grę wchodziły czynniki, których w modelach jeszcze nie uwzględniono.
Dr Mohammad Sadegh Shakeri, fizyk z IFJ PAN odpowiedzialny m.in. za opis teoretyczny oddziaływania nanodrobin ze światłem laserowym, tak przedstawia jeden z problemów:
„Zawieszone w cieczy aglomeraty luźno złączonych nanocząstek absorbują energię wiązki laserowej, rozgrzewają się powyżej temperatury topnienia i trwale się spajają, przy okazji ulegając mniejszym bądź większym przekształceniom chemicznym. Z naszych modeli teoretycznych wynika, że temperatura nanocząstek może w pewnych przypadkach wzrastać nawet do czterech tysięcy kelwinów. 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 najnowszych badaniach fizycy z IFJ PAN używali nanocząstek hematytu alfa-Fe2O3. Były one wprowadzane do trzech różnych rozpuszczalników organicznych: alkoholu etylowego, octanu etylu i toluenu. Pojemnik z przygotowanym koloidem umieszczano w płuczce ultradźwiękowej, która gwarantowała, że nie dojdzie do niekontrolowanego zagęszczania drobin. Próbki naświetlano następnie impulsami laserowymi trwającymi 10 ns, powtarzanymi z częstotliwością 10 Hz, co w zależności od wersji 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 cząstek, które jako pierwsze zaczynają ulegać przemianom pod wpływem światła laserowego. Potwierdzono także, że w badanych przypadkach aglomeraty o większych rozmiarach osiągały niższe temperatury, a do największej temperatury rozgrzewały się drobiny hematytu o wielkościach około 200 nm (oszacowania teoretyczne sugerowały tu wartość 2320 K). Lecz najciekawsze okazały się rezultaty dotyczące użytych w eksperymentach cieczy.
Przede wszystkim udało się zaobserwować zależność między stałą dielektryczną cieczy a rozmiarami drobin wytworzonego kompozytu: im stała była mniejsza, tym rozmiar aglomeratów był większy. Analizy potwierdziły także przypuszczenie, że cienka warstwa cieczy przy rozgrzanej nanocząstce 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. Ostatecznym celem jest zdobycie pełnej wiedzy o procesach zachodzących w koloidzie i zbudowanie modeli teoretycznych, które pozwoliłyby precyzyjnie projektować zarówno własności nanokompozytów, jak i sposoby ich produkcji na szerszą skalę
”, podsumowuje dr Świątkowska-Warkocka.
Opisane badania sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki.
[PDF]
Kontakt:
dr hab. Żaneta Świątkowska-Warkocka
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8262
email: zaneta.swiatkowska@ifj.edu.pl
Publikacje naukowe:
„Solvent-particles interactions during composite particles formation by pulsed laser melting of α-Fe2O3”
M. S. Shakeri, O. Polit, B. Grabowska-Polanowska, A. Pyatenko, K. Suchanek, M. Dulski, J. Gurgul, Z. Swiatkowska-Warkocka;
Scientific Reports 12, 11950 (2022);
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15729-y
Materiały graficzne:
Zdjęcie mikroskopowe nanocząstek jednego z kompozytów otrzymanego metodą topienia laserowego. Kolory fałszywe, obrazują rozmieszczenie tlenu, żelaza, węgla i krzemu zgodnie z legendą widoczną w lewym dolny rogu. (Źródło: IFJ PAN)
Aparatura do produkcji nanokompozytów metodą topienia laserowego, użyta w badaniach przeprowadzonych przez Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. (Źródło: IFJ PAN)