Ученые из Института теоретической физики РАН и ВНИИ автоматики имени Духова раскрыли механизм рождения наночастиц, возникающих при испарении металлов и других материалов короткими, но мощными импульсами лазера, сообщает пресс-служба института.
"По сравнению с химическим синтезом, этот процесс намного проще, и к тому же чище. 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", — рассказывает Наиль Иногамов, физик из ИТФ имени Ландау в Черноголовке.
В последние несколько десятилетий химики, биологи и физики активно используют наночастицы для создания новых катализаторов, лечения рака, различных электронных и оптических приборов и многих других футуристических гаджетов и реактивов.
Большая часть этих наночастиц собирается химическим путем, в результате сложных реакций между различными реактивами и катализаторами. Как правило, такие наночастицы имеют случайную форму и размеры, которыми достаточно сложно или почти невозможно манипулировать.
Относительно недавно, как отмечают Иногамов и его коллеги, ученые обнаружили, что аналогичные структуры можно получать, "обстреливая" пластинки из металлов или других твердых мате-риалов при помощи лазера. Несмотря на простоту этой методики сборки наночастиц, ученые не имели понятия, как она работает.
"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. Но это уже конечные стадии, а что происходит до образования пузырька, какие процессы влияют на его характеристики – было совершенно неясно", – продолжает физик.
Для раскрытия секретов этого лазерного "сборочного конвейера", Иногамов и его коллеги создали компьютерную модель "мишени" из золота, обстреливаемой пучками лазерного излучения. При ее помощи российским физикам удалось выяснить, что происходит внутри этих пузырьков и что служит причиной их появления.
Как показали расчеты ученых, обстрел лазером нагревает золото до температуры примерно в 10-20 тысяч градусов Кельвина, в два раза горячее Солнца, и сжимает их до давления в миллион атмосфер, что на несколько порядков ниже, чем удается достичь типичной атомной бомбе.
В результате этого металл плавится и резко расширяется, двигаясь со скоростью в 2 километра в секунду. Через некоторое время внутри этого расплава начинают возникать пузырьки металлического пара, и вся капля золота превращается в своеобразную пену.
Эта пена, как объясняет физик, сталкивается с водой, которая тормозит движение ее внешних слоев, но не мешает движению внутренних регионов этого расплава. В результате этого на месте контакта воды и золота возникает плотный слой из металла, который постепенно деформируется и изгибается, образуя множество выростов и ямок, похожих по форме на лес или расческу.
Ножки этих выростов постепенно истончаются, и через некоторое время они отрываются, формируя "капли"-наночастицы. На весь этот процесс, по словам Иногамова, уходит примерно одна наносекунда. Вода, как отмечают авторы статьи, играет ключевую роль в формировании наночастиц, что раньше никак не учитывалось при попытках объяснить то, как лазер взаимодействует с листами металла.
Дальнейшее изучение этого процесса, как отмечает физик, позволит ученым уже в ближайшее время научиться гибко управлять размерами, формой и другими свойствами наночастиц, что значительно расширит их применение в быту и науке.
По информации https://ria.ru/science/20180322/1517039774.html
Обозрение "Terra & Comp".
