Ученые из Института теоретической физики РАН и ВНИИ автоматики имени Духова раскрыли механизм рождения наночастиц, возникающих при испарении металлов мощными импульсами лазера.

По словам Наиля Иногамова, физика из ИТФ имени Ландау в Черноголовке, этот процесс намного проще и чище химического синтеза.

Он пояснил, что химический синтез – это многоступенчатый процесс, включающий множество последовательных реакций, в результате которых образуются наночастицы. Их необходимо очищать от промежуточных продуктов реакций, остатков исходных реагентов и катализаторов. Вместе с тем, лазерная абляция позволяет получать сразу «чистые» наночастицы.

Ученые во всем мире активно используют наночастицы для создания новых катализаторов, лечения рака, различных электронных и оптических приборов и многих других футуристических гаджетов и реактивов. Большая часть наночастиц собирается именно химическим путем. В результате они имеют случайную форму и размеры, которыми достаточно сложно или почти невозможно управлять.

Иногамов и его коллеги обнаружили, что аналогичные структуры можно получать, «обстреливая» пластинки из металлов или других твердых материалов при помощи лазера.

При вспышке лазера образуется пузырек пара из окружающей металл жидкости, он расширяется, затем схлопывается, а в жидкости остаются наночастицы, формирующие коллоидный раствор.

Иногамов создал компьютерную модель «мишени» из золота, обстреливаемой пучками лазерного излучения, и выяснил, что происходит внутри этих пузырьков и что служит причиной их появления.

В результате эксперимента было установлено, что 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. При столь высокой температуре металл плавится и резко расширяется. В это время внутри этого расплава начинают возникать пузырьки металлического пара, и вся капля золота превращается в пену, которая сталкивается с водой. На месте встречи воды и «пены» из золота возникает плотный слой из металла, который постепенно деформируется и изгибается, образуя множество выростов и ямок, похожих по форме на лес или расческу.

Далее ножки этих выростов истончаются, отрываются и формируют «капли»-наночастицы.

На весь этот процесс уходит примерно одна наносекунда.

Ученые также отметили, что именно вода играет ключевую роль в формировании наночастиц, что раньше никак не учитывалось при попытках объяснить то, как лазер взаимодействует с листами металла.