Лазер підірвав мікропузир пари навколо золотої наночастинки

Фізики виявили, що під впливом лазера на поверхні зануреної у воду золотої наночастинки через сотню мікросекунд після початку опромінення утворюється бульбашка пара розміром до 100 мікрометрів, яка так само швидко стискається назад. Після цього на частинці виникає пульсуючий газовий міхур в 100 разів меншого обсягу, який ще через пару мілісекунд перестає коливатися і починає повільно рости. Ці процеси можуть бути використані для медичних застосувань або в каталітичній хімії, пишуть вчені в.

Якщо золоту або срібну наночастинку опустити у воду, а потім посвітити на неї лазером, то за рахунок ефекту плазмонного резонансу її поверхня почне сильно розігріватися, і біля неї сформується бульбашка газу. Такі плазмонні бульбашки вчені намагаються використовувати, наприклад, в технологіях перетворення сонячної енергії, в каталітичній хімії або в медицині для терапії та діагностики. Тому те, як ці бульбашки пара поводяться на відносно великих часах - близько декількох мілісекунд, - вивчено досить добре. При постійному опроміненні розмір бульбашки досягає декількох десятків мікрометрів, і в перші секунди це зростання відбувається за рахунок випаровування рідини, а через приблизно 10 мілісекунд після початку опромінення домінуючим стає процес теплового розширення через зростання температури під дією лазера навколишньої рідини.

Однак інформації про те, що відбувається з цими мікропузирками в перші мікросекунди після початку опромінення, через обмеження існуючих експериментальних методів, практично не було. Щоб розібратися, як відбувається зародження газової бульбашки на плазмонній наночастинці і що з ним відбувається в перші думки його життя, група фізиків з Китаю, Нідерландів, Канади та Німеччини під керівництвом Детлефа Лозе (Detlef Lohse) з Університету Твенте розробила камеру з надвисокою швидкістю зйомки, яка дозволяє робити запис з тимчасовою роздільною здатністю до 100 наносекунд (тобто робити до 10 мільйонів кадрів за одну секунду). За допомогою цієї камери вчені уважно простежили за розвитком газової бульбашки, яка утворюється на золотих наночастинках розміром близько 100 нанометрів, розміщених по вузлах квадратної решітки на поверхні оксиду кремнію.

Виявилося, що процес формування бульбашки складається з чотирьох основних стадій. При цьому найцікавіші процеси відбуваються на перших двох етапах - ще до того, як починається монотонне зростання обсягу міхура: спочатку бульбашка різко збільшується в розмірах приблизно до 40 мікрометрів, після чого «здувається» назад і починає пульсувати, змінюючи свій обсяг від 10 мікрометрів до нуля. Ці дві стадії тривають приблизно 2 мілісекунди, після чого вже відбувається перехід монотонного зростання обсягу краплі.

За результатами спостережень, перша стадія починається із затримкою приблизно в 100 мікросекунд після початку опромінення і сама теж займає близько 100 мікросекунд. Різке збільшення газової бульбашки відбувається за рахунок локального збільшення температури до 150-220 градусів Цельсія. При цьому максимальна швидкість зростання досягає 12,5 метрів в секунду, що приблизно на 4 порядку більше, ніж у разі зростання за рахунок випаровування і дифузійного розширення. При цьому згідно з теоретичними моделями, ця бульбашка повністю складається з води, і в ній практично немає повітря.

Після зникнення першої гігантської бульбашки відбувається перехід у коливальний режим, який підтримується за рахунок рівноваги між процесами випаровування води та дисипації енергії. Максимальний обсяг бульбашки на цій стадії приблизно в 100 разів менше, ніж у першої бульбашки на початковому етапі, а період коливань обсягу - приблизно в три рази менше ніж тривалість першої стадії. З часом випаровування води стає домінуючим процесом, і з другої стадії міхур переходить у третю, в якій починається його повільний монотонний зріст.

Вчені відзначають, що основну роль при зародженні бульбашки відіграє газ, розчинений в рідині. Тому в насиченій газом воді і в дегазованій воді динаміка зростання і пульсацій газової бульбашки буде досить помітно відрізнятися. Зокрема, чим більше концентрація розчиненого газу, тим більше буде максимальний обсяг міхура. Також від концентрації розчиненого газу залежить тривалість затримки перед формуванням першої бульбашки. Крім того, цей процес сильно залежить і від інтенсивності лазерного опромінення. Однак, при збільшенні інтенсивності лазера максимальний обсяг бульбашки не збільшується, як можна було очікувати, а навпаки, падає - цей ефект пов'язаний з меншими втратами енергії при зниженні потужності лазерного пучка.

За словами авторів роботи, можливість швидкого утворення великої парової бульбашки відразу після початку опромінення може використовуватися в медичних додатках (наприклад для руйнування ракових клітин) або для підвищення ефективності каталізу на золотих наночастинках.

У занурених у воду плазмонних наночастинок існують й інші цікаві способи застосування. Наприклад, саме використання золотих плазмонних наночастинок дозволило фізикам з Китаю і США розробити спосіб, за допомогою якого лазером можна направляти потік рідини в потрібний бік.