Menos incógnitas en la nanoestructura láser de compuestos

01 septiembre 2022

(Noticias de Nanwerk) Las partículas compuestas de tamaño submicrónico se pueden producir irradiando una suspensión de nanopartículas con un rayo láser. Durante la irradiación se producen violentos procesos físicos y químicos, muchos de los cuales hasta ahora no se han entendido bien. Los experimentos completados recientemente, realizados en el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, han arrojado nueva luz sobre algunos de estos misterios hasta el momento.

Cuando un rayo láser golpea grupos de nanopartículas suspendidas en un coloide, ocurren eventos que son tan dramáticos como beneficiosos. El aumento drástico de la temperatura hace que las nanopartículas se fundan juntas en una partícula compuesta. Una fina capa de líquido junto a la sustancia caliente se convierte rápidamente en vapor, y se produce toda una serie de reacciones químicas en condiciones físicas que cambian en milisegundos.

Usando el método presentado aquí, llamado fusión por láser, los científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia no solo produjeron nuevos nanocompuestos, sino que también describieron algunos de los procesos poco conocidos responsables de su formación.

«El proceso de fusión por láser en sí, que consiste en irradiar partículas de materia en suspensión con una luz láser no enfocada, se conoce desde hace años. Se utiliza principalmente para producir materiales de un solo componente. Nosotros, como uno de los dos únicos equipos de investigación en el mundo , están tratando de usar esta tecnología para producir nanopartículas sintetizadas bajo En este campo, el campo aún está en pañales, y todavía hay muchas incógnitas, de ahí nuestra alegría de que algunos de los misterios que nos desconcertaban se hayan resuelto”, dice el Dr. Científico publicado en la revista Informes científicos (Interacciones solvente-partícula durante la formación de partículas compuestas por fusión láser pulsada de α-Fe2a3«).

Micrografía de nanopartículas de uno de los compuestos obtenidos por fusión láser. Los colores falsos representan la distribución de oxígeno, hierro, carbono y silicio mediante el interruptor que se muestra en la esquina inferior izquierda. (Foto: FIP PAN)

La ablación láser es el método más utilizado y al mismo tiempo más conocido para la síntesis de nanomateriales mediante luz láser: un objetivo macroscópico se sumerge en un líquido y luego se pulsa con un rayo láser enfocado. Bajo la influencia de los efectos de los fotones, las nanopartículas de materia se arrancan del objetivo y terminan en el líquido, del que posteriormente se pueden separar con bastante facilidad.

En el caso de la fusión por láser, el material de partida son nanopartículas previamente distribuidas en todo el volumen del líquido, a partir de las cuales se forman sus aglomerados a granel. El rayo láser utilizado para irradiar esta vez se dispersa, pero se elige de tal manera que entregue energía en cantidades suficientes para derretir las nanopartículas. Por medio de la fusión por láser, es posible producir materiales compuestos por partículas que varían en tamaño de nanómetros a micras, a partir de diversas estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos) y estructuras físicas (homogéneas, aleaciones, compuestos), incluidas aquellas difíciles para producir por otras técnicas (como oro, hierro, cobalto, oro y aleaciones de níquel).

El tipo de sustancia formada durante la fusión por láser depende de muchos factores. Es evidente que el tamaño y la composición química de las nanopartículas iniciadoras son importantes, así como la intensidad, eficiencia y duración de los pulsos de luz láser. Los modelos teóricos actuales permitieron a los científicos de IFJ PAN planificar inicialmente el proceso de producción de nuevos nanocompuestos, pero en la práctica, los intentos no siempre condujeron a la creación de los materiales esperados. Obviamente, hay factores involucrados que no fueron tomados en cuenta en los modelos.

El Dr. Mohamed Sadiq Chakri, físico de la Federación Internacional de Periodistas y responsable, entre otros, de la descripción teórica de la interacción de las nanopartículas con la luz láser, presenta uno de los problemas de la siguiente manera: “Grupos de nanopartículas no conectadas suspendidas en un líquido absorber la energía del rayo láser, calentado por encima del punto de fusión y unido permanentemente, mientras sufre mayores o menores transformaciones químicas. Nuestros modelos teóricos muestran que la temperatura de las nanopartículas puede aumentar hasta cuatro mil K en algunos casos. Desafortunadamente, no existen métodos que puede medir directamente la temperatura de las partículas. ¡Sin embargo, la temperatura y sus cambios son los factores más importantes que afectan la composición física y química del material transformado!

Para comprender mejor la naturaleza de los fenómenos que ocurren durante la fusión del láser, los físicos de IFJ PAN en su última investigación utilizaron nanopartículas de hematites alfa-Fe2O3. Se introdujeron en tres disolventes orgánicos diferentes: alcohol etílico, acetato de etilo y tolueno. El recipiente con el coloide preparado se colocó en una lavadora ultrasónica, asegurando que no hubiera una presión descontrolada de las partículas. Luego, las muestras fueron irradiadas con pulsos de láser de 10 ns de duración, repetidos a una frecuencia de 10 Hz, lo que, según la versión del experimento, resultó en la formación de partículas con tamaños de 400 a 600 nm.

Los análisis detallados de los nanocompuestos producidos permitieron a los investigadores de IFJ PAN descubrir cómo, dependiendo de los parámetros del haz utilizado, es posible determinar el tamaño crítico de las partículas que comienzan a cambiar primero bajo la influencia de la luz láser. También se confirmó que las partículas de nanocompuestos más grandes alcanzan una temperatura más baja, con partículas de hematita con tamaños cercanos a 200 nm calentadas a la temperatura más alta (las estimaciones teóricas aquí sugirieron un valor de 2320 K). Sin embargo, los resultados más interesantes de los experimentos resultaron ser los relacionados con los fluidos.

Sobre todo, fue posible observar una relación entre la constante dieléctrica de un líquido y el tamaño de las partículas compuestas producidas: cuanto más pequeña es la constante, más grandes son los aglomerados. Los análisis también confirmaron la suposición de que una película delgada de líquido cerca de una nanopartícula caliente se descompone rápidamente durante muchas reacciones químicas. Dado que estas reacciones ocurren en diferentes líquidos de manera diferente, las sustancias resultantes también diferían en composición y composición química. Las partículas producidas en acetato de etilo consisten en magnetita prácticamente estandarizada, mientras que el compuesto de óxido de hierro negro se formó en alcohol etílico.

«El papel de los líquidos en la producción de nanocompuestos a través de la fusión por láser ha resultado ser más importante de lo que todos habían pensado anteriormente. Todavía sabemos poco sobre muchas cosas. Afortunadamente, nuestros resultados actuales indican cuáles deberían ser las próximas direcciones de investigación. La última El objetivo es obtener un conocimiento completo de los procesos que ocurren en el coloide y la construcción de modelos teóricos que permitan el diseño preciso tanto de las propiedades de los nanocompuestos como de los métodos para su producción a mayor escala”, resume la Dra. Shwitkowska-Warkoka.