Russian Academy of Sciences

Landau Institute for Theoretical Physics

Fiziki ob’yasnili, kak zolotye nanochastitsy rozhdayutsya iz peny

22 March

Uchenye iz Instituta teoreticheskoi fiziki imeni L.D. Landau i VNII avtomatiki imeni N.L. Dukhova vyyasnili, kak «rabotaet» novyi perspektivnyi sposob polucheniya nanochastits – lazernaya ablyatsiya. V otlichie ot khimicheskogo sinteza, kotoryi ispol’zuyut obychno, etot protsess pozvolyaet poluchat’ dazhe nanochastitsy slozhnoi struktury, v odnu stadiyu i ne daet «gryazi». Znaya, chto imenno proiskhodit s materialom pri ablyatsii, uchenye smogut sozdavat’ nanochastitsy zadannoi formy i svoistv, prosto upravlyaya parametrami lazernogo vozdeistviya.

 

Uchenye issledovali, kak formiruyutsya nanochastitsy v khode lazernoi ablyatsii – protsessa, pri kotorom ot metallicheskoi misheni pod vozdeistviem lazernogo lucha otryvayutsya kroshechnye fragmenty. Do sikh por bylo neyasno, chto imenno proiskhodit s materialom: reaktsiya vo mnogom byla «chernym yashchikom». Rabota uchenykh prinyata k publikatsii v zhurnale AIP Conference Proceedings, ee preprint vylozhen na saite arXiv.org.

 

Lazernaya ablyatsiya shiroko ispol’zuetsya v analiticheskoi khimii, kogda poverkhnost’ veshchestva nagrevayut lazerom, a zatem analiziruyut sostav otorvavshegosya ionizirovannogo veshchestva – plazmy. V poslednee desyatiletie lazernuyu ablyatsiyu stali ispol’zovat’ dlya polucheniya nanochastits. Chashche vsego v etom sluchae mishen’, iz kotoroi «vybivayutsya» nanochastitsy, pomeshchayut v zhidkost’, chtoby «lovit’» ikh. «Po sravneniyu s khimicheskim sintezom, etot protsess namnogo proshche – i k tomu zhe chishche, – ob’yasnyaet odin iz avtorov novoi raboty, doktor fiziko-matematicheskikh nauk, vedushchii nauchnyi sotrudnik sektora plazmy i lazerov ITF imeni L.D. Landau Nail’ Inogamov. – Khimicheskii sintez – mnogostupenchatyi protsess, vklyuchayushchii mnozhestvo posledovatel’nykh reaktsii. V itoge obrazuyushchiesya nanochastitsy nuzhno ochishchat’ ot promezhutochnykh produktov reaktsii, ostatkov iskhodnykh reagentov i katalizatorov. Lazernaya ablyatsiya pozvolyaet poluchat’ «chistye» nanochastitsy v odin shag». Ispol’zuya etot metod, mozhno sozdavat’ «slozhnye» nanochastitsy, naprimer, sostoyashchie iz dvukh razlichnykh materialov. Eshche odno napravlenie – poluchenie nanochastits, «nasazhennykh» na polimernye niti. Takie aglomeraty obrazuyutsya, esli mishen’ nakhoditsya v rastvore polimera, i ikh ispol’zuyut v kachestve biosensorov ili lekarstv – v etom sluchae primenyayut veshchestva, nanochastitsy kotorykh obladayut antibakterial’nymi svoistvami.

 

Tekhnicheski protsess lazernoi ablyatsii dovol’no prost: v metallicheskuyu mishen’ «b’yut» lazernoi vspyshkoi, mesto «udara» nagrevaetsya, ot nego otryvayutsya kroshechnye fragmenty – nanochastitsy. «V mikroskop mozhno videt’, kak pri vspyshke obrazuetsya puzyrek para iz okruzhayushchei metall zhidkosti, on rasshiryaetsya, zatem skhlopyvaetsya, a v zhidkosti ostayutsya nanochastitsy, formiruyushchie kolloidnyi rastvor. No eto uzhe konechnye stadii, a chto proiskhodit do obrazovaniya puzyr’ka, kakie protsessy vliyayut na ego kharakteristiki – bylo sovershenno neyasno», – rasskazyvaet Inogamov.

 

V novoi rabote fiziki opisali nachal’nye stadii protsessa i proverili svoi vykladki, ispol’zuya komp’yuternye modeli. V itoge im udalos’ vyyasnit’, chto proiskhodit s mishen’yu iz zolota vo vremya i srazu posle lazernogo vozdeistviya vplot’ do momenta obrazovaniya nanochastits.

 

«Ul’trakorotkaya lazernaya vspyshka bystro nagrevaet zoloto do temperatury 10-20 tysyach gradusov. Pri etom davlenie v nagretom zolote povyshaetsya do milliona atmosfer – pri vzryve neyadernoi bomby temperatury i davleniya na poryadok nizhe» – rasskazyvaet Inogamov. Tolshchina sloya zolotogo rasplava – 200-300 nm, i iz-za kolossal’nogo davleniya etot sloi stremitel’no rasshiryaetsya: ego skorost’na granitse s vodoi dostigaet 2 km/s. Kogda razogretyi sloi rasshiryaetsya v 1,5-5 raz, v rasplave nachinayut obrazovyvat’sya puzyr’ki para. Oni uvelichivayutsya v razmerakh, i dovol’no bystro otnositel’nyi ob’em parovoi fazy stanovitsya nastol’ko bol’shim, chto rasplav s puzyr’kami perekhodit v sostoyanie peny.

 

«Pena razletaetsya po inertsii, «ne znaya» o prisutstvii vody, – poyasnyaet Inogamov. – «Znaet» o nei tol’ko vneshnii krai peny, kotoryi s vodoi granichit. Voda «soprotivlyaetsya» rasshireniyu peny i sil’no tormozit ee. V meste kontakta s vodoi obrazuetsya uplotnennyi sloi, v kotorom pena vozvrashchaetsya v odnofaznoe sostoyanie goryachego rasplava. Mozhno predstavit’, kak tsepochka lyzhnikov spuskaetsya s gory, u podnozhiya kotoroi yama. Pervye uzhe provalilis’ v nee, no sleduyushchie nichego ob etom ne znayut. Oni prodolzhayut spuskat’sya i tozhe padayut – v kontse kontsov,v yame okazyvayutsya vse lyzhniki. Tochno tak zhe vsya pena postepenno «svalivaetsya v yamu» na granitse s vodoi i perestaet byt’ penoi, prevrashchayas’ bolee plotnyi kontaktnyi sloi».

 

Avtory novoi raboty pokazali, chto granitsa mezhdu kontaktnym sloem i vodoi okazyvaetsya ne gladkoi. V meste kontakta s obeikh storon obrazuyutsya vozmushcheniya – vyrosty, kotorye postepenno uvelichivayutsya i vzaimopronikayut drug v druga: zolotye vyrosty «zapolzayut» v vodu, a vodyanye – v zolotoi flyuid (sm. ris). Analogichnyi protsess proiskhodit, skazhem, v stakane s vodoi, poverkh kotoroi nalili rtut’. Dazhe esli iznachal’no granitsa mezhdu nimi byla gladkoi, so vremenem plotnye rtutnye «shchupal’tsa» nachnut pronikat’ v vodu, a v sloe rtuti poyavyatsya menee plotnye vodyanye vyrosty. Takoi protsess nazyvaetsya neustoichivost’yu Releya-Teilora. Vyrosty zolotogo flyuida vse bol’she vytyagivayutsya v vodu, poka ne istonchayutsya nastol’ko, chto nozhka razryvaetsya i formiruetsya zolotaya kapel’ka-nanochastitsa. Otryv nanochastits nachinaetsya primerno cherez nanosekundu posle vspyshki.

Razvitie neustoichivosti v meste kontakta zolota (pokazano zheltym) i vody (pokazana golubym). Vozle kontakta voda imeet bolee svetlyi tsvet - tak oboznachen nagrev vody ot goryachego rasplava zolota. Na dvukh levykh kadrakh izobrazheno, kak zoloto perekhodit iz sostoyaniya sploshnoi zhidkoi fazy v sostoyanie peny. Pena letit vverkh bystree, chem dvizhetsya vverkh kontaktnyi sloi (pokazan temno-zheltym),poetomu fragmenty peny akkumuliruyutsya im, i tolshchina kontaktnogo sloya rastet. Postepenno na granitse zolota i vody nachinayut obrazovyvat’sya vozmushcheniya, "nozhki" kotorykh so vremenem istonchayutsya i obryvayutsya.

Razvitie neustoichivosti v meste kontakta zolota (pokazano zheltym) i vody (pokazana golubym). Vozle kontakta voda imeet bolee svetlyi tsvet – tak oboznachen nagrev vody ot goryachego rasplava zolota. Na dvukh levykh kadrakh izobrazheno, kak zoloto perekhodit iz sostoyaniya sploshnoi zhidkoi fazy v sostoyanie peny. Pena letit vverkh bystree, chem dvizhetsya vverkh kontaktnyi sloi (pokazan temno-zheltym),poetomu fragmenty peny akkumuliruyutsya im, i tolshchina kontaktnogo sloya rastet. Postepenno na granitse zolota i vody nachinayut obrazovyvat’sya vozmushcheniya, «nozhki» kotorykh so vremenem istonchayutsya i obryvayutsya.

 

«Do sikh por bol’shinstvo teorii, opisyvayushchikh lazernuyu ablyatsiyu, ne uchityvali nalichie prinimayushchei zhidkoi sredy, ne delaya sushchestvennykh razlichii mezhdu rasshireniem v zhidkost’ i rasshireniem v vakuum – poyasnyaet Inogamov. – Schitalos’, chto metall isparyaetsya, par sil’no rasshiryaetsya, pri rasshirenii ostyvaet i kondensiruetsya, formiruya kapli-nanochastitsy. My ob’yasnili, kak na ablyatsiyu vliyaet voda, i vyyasnili rol’ kontaktnogo sloya. Poluchaetsya, chto pri rassmatrivaemykh nami energiyakh  i dlitel’nosti lazernogo impul’sa v neskol’ko pikosekund ili koroche par zolota ostaetsya otdelennym ot vody kontaktnym sloem, imeet nebol’shoi ob’em (net sil’nogo rasshireniya para) i, takim obrazom, esli i est’ kondensatsiya para zolota v kapli, to eti kapli v vodu ne popadayut».

 

Kogda uchenye okonchatel’no razberutsya s fizikoi protsessa lazernoi ablyatsii v zhidkosti, oni smogut napravlenno podbirat’ parametry, chtoby poluchat’ nanochastitsy s zaranee zadannymi kharakteristikami. «Mozhno menyat’ pogloshchennuyu energiyu, dlitel’nost’ impul’sa, razmer pyatna oblucheniya, – rassuzhdaet Inogamov. – Interesnye rezul’taty mogut poluchit’sya, esli delat’ nagrev misheni neodnorodnym: po nashim predvaritel’nym raschetam, v etom sluchae kapli-nanochastitsy budut zametno bolee krupnymi. Krome togo, mozhno vzyat’ legkii metall i plotnuyu zhidkost’ – v etom sluchae, ne budet proyavlyat’sya neustoichivost’ Releya-Teilora, i ves’ protsess kardinal’no pomenyaetsya».

 

Dogovorit’sya ob interv’yu s uchenymi, kommentariyakh i zaprosit’ dopolnitel’nuyu informatsiyu, v tom chisle vizualizatsiyu protsessa obrazovaniya nanochastits, mozhno po adresu: press@itp.ac.ru