А.А. Антипов, с.В. Кутровская, а.В. Осипов лазерный синтез наночастиц в жидких средах

Проведены исследования формирования микро и наночастиц при лазерном воздействии на мишени помещенные в жидкости. Для генерации частиц использовались различные источники лазерного излучения (от непрерывного до фемтосекундного), что позволило покрыть диапазон интенсивности от 10⁵ до 10¹⁷ Вт/см². Анализ экспериментальных результатов показал, что размер синтезируемых частиц зависит как от интенсивности и длительности лазерного импульса, так и от физических свойств жидкой среды.

1. Введение Лазерная абляция твердых тел в жидкостях является одним из альтернативных методов получения коллоидных растворов и генерации наночастиц. В отличие от наночастиц, получаемых химическими методами синтеза, наночастицы, получаемые в результате лазерной абляции твердых мишеней в жидкостях могут быть свободны от поверхностно-активных веществ и посторонних ионов [1,2].

Свойства наночастиц, образующихся в процессе лазерной абляции твердых тел в жидкостях, зависят от многих параметров (длина волны лазерного излучения, плотность энергии пучка на мишени, род жидкости и т. д.). Поскольку в процессе абляции происходит вынос вещества мишени в жидкость, на поверхности мишени образуется рельеф, морфология которого зависит как от плотности энергии, так и от общей дозы излучения, поглощенного данной поверхностью. Процесс сбора наночастиц, образующихся в процессе лазерной абляции в вакууме, при абляции в жидкости решается естественным образом: наночастицы остаются в объеме жидкости, образуя коллоидный раствор [3].

Лазерное излучение применяется также для модификации размера коллоидных частиц серебра, золота и наночастиц, составленных из сплава золота с серебром, приготовленного химическим способом. Стабильный коллоидный раствор наночастиц золота и серебра в жидкости позволяет наблюдать их плазмонный резонанс, т. е. возникновение специфической полосы поглощения раствора в видимой области, обусловленной малостью размера частиц [4].

2. Экспериментальная часть Используемые источники лазерного излучения приведены в табл. 1.

В экспериментах для получения углеродных коллоидных систем в качестве мишени использовались шунгит и спектрально чистый графит, для создания коллоидных растворов металлов использовались пластины никеля и меди.

Используемые источники лазерного излучения Таблица 1
п/п	Тип излучения	Тип лазера (активная среда)	Источник накачки	Длина волны излучения	Средняя мощность	Длит. импульса	Частота повторения импульсов	Качество пучка
1	непрерывное	Иттербиевый волоконный лазер	Диод	λ=1.06 мкм	От 1 до 200Вт	‑	‑	1,05
2	импульсно-периодическое	Иттербиевый волоконный лазер	Диод	λ=1.06 мкм	От 1до 10Вт	100 нс	от 20 до 100 кГц	1,05
3	импульсно-периодическое	Ti:Sp	Лазер	λ=0.8 мкм	0,87 Вт	50фс	100 Гц и 1 кГц	1,2

В качестве растворителей использовались:

• Дистиллиро́ванная вода́ (H₂O)

• Этано́л (C₂H₅OH)

• Глицерин (C₃H₅(OH)₃)

Получение коллоидных систем с помощью лазерного излучения Мишень погружалась в кварцевую кювету и заполнялась растворителем. Лазерный луч фокусировался на границе мишень – жидкая фаза, затем фокус заглублялся на 0,5 мм вглубь мишени. Поверхность мишени подвергалась воздействию лазерного излучения. В результате воздействия лазерного излучения происходила лазерная абляция мишени в жидкости. Образовавшиеся наночастицы вновь возвращались в лазерный пучок вследствие конвективного движения, что при достаточно большом поглощении на длине волны лазерного излучения приводило к изменению функции распределения частиц по размерам. Таким образом, наночастицы распределялись в объеме жидкости, образуя коллоидный раствор [5].

При фокусировке лазерного излучения в объеме жидкости плотность выделившейся энергии может стать настолько большой, что жидкость в фокальной области бурно

вскипает, образуется быстро расширяющаяся паровая полость и излучается волна сжатия. При еще больших интен­сивностях света и плотностях выделившейся энергии возникает явление оптического пробоя, сопровождающееся ударной волной. При превышении некоторой пороговой интенсивности в фокальной области происходят микровзрывы и появляются полости, заполненные светящейся плазмой. Лазерное излучение поглощается в плотной плазме, сообщая дополнительную энергию полости. Под действием повышенного давления полость расширяется, излучая ударную волну. После окончания лазерного импульса и прекращения выделения энер

гии в плазменной полости газ остывает, свечение прекращается и образуется пузырек, совершающий несколько пульсаций.

Результаты о размерах частиц Таблица 2
п/п	Параметры лазерного воздействия (источник, интенсивность I, время воздействия t)	Растворитель	Растворимое вещество	Средний размер диспергированных частиц, нм	Коэффициент диффузии, м2/с
1	Лазерный источник №1 табл.3.1. I = 107 Вт/см2 t=3 мин	C3H5(OH)3	Ni	9,2	1,62·10-14
		C2H5OH	Ni	260	1,61·10-14
		C3H5(OH)3	Cu	8,4	1,61·10-14
		C2H5OH	Cu	135	1,61·10-14
2	Лазерный источник №2 табл.3.1. I = 107 Вт/см2 t=30 с	H2O	Шунгит	3200	1,55·10-14
		H2O	Спектрально чистый графит	3000	1,58·10-14
3	Лазерный источник №2 табл.3.1. I = 107 Вт/см2 t=6 с	H2O	Шунгит	3000	1,56·10-14
4	Лазерный источник №3 табл.3.1. I = 1013 Вт/см2 t=5 мин	C3H5(OH)3	Ni	10	1,61·10-14
		C2H5OH	Ni	292	1,58·10-14
		C3H5(OH)3	Cu	10	1,59·10-14
		C2H5OH	Cu	222	1,59·10-14

Величина пороговой интенсивности света зависит от свойств жидкости. Установлено, что значение пороговой интенсивности определяется наличием в жидкости твердых микрочастиц и, в частности, частичек сажи, всегда присутствующих в атмосфере, а, следовательно, и в находящейся с ней в контакте жидкости, например, воде. Твердые частицы, поглощая свет, разогреваются до температуры 10⁴ К, соответствующей области первой ионизации атомов и образованию плотной плазмы. В плазме происходит сильное поглощение света, ведущее к ее дальнейшему разогреву и образованию плазменной полости.

Для получения четкой картины о размерах частиц, которые присутствуют в полученных коллоидных растворах проведены исследования на анализаторе размеров частиц динамического рассеяния лазерного света Horiba LB-550. Лазерный анализатор предназначен для измерения частиц в диапазоне от 3 нм до 6 микрон. Анализатор использует теорию динамического рассеивания света.

Полученные результаты о размерах частиц, которые присутствуют в полученных коллоидных растворах и условиях воздействия приведены в табл. 2.

3. Заключение В данной работе на основе метода лазерного синтеза наночастиц при абляции материалов в жидкости проведены исследования по возможности синтеза микро и и наночастиц в различных жидких средах. Лазерное воздействие осуществлялось с применением различных источников с режимами непрерывной и импульсно-периодической генерации. В работе использовались различные жидкие среды: дистиллированная вода, этиловый спирт, глицерин. Анализ размеров частиц после лазерного воздействия показал, что наиболее перспективным для синтеза металлических наночастиц является глицерин и непрерывное лазерное воздействие, что позволяет получать частицы со средним размером 8нм. Работа выполнена частично за счет средств аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Библиографический список.

Федер Е.А. Фракталы (М.: Мир, 1991).

Батурин В.А., Карпенко А.Ю., Литвинов П.А., Пустовойтов С.А. Вопросы атомной науки и техники № 1, (2006).

Antipov AA, Arakelyan SM, Kutrovskaya S.V., et al. Physics Procedia 5  Part 1 (2010)

Д.И. Рыженков и др. Наноматериалы: М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. С. 365.

K. Kordas et al.: Applied Surface Science. №172. (2001)

Смирнов Б.М. УФН Т.161 №8, 1992.

Смирнов Б.М. УФН Т.173 №6, 2003.

Антипов А.А., Аракелян С.М.и др. Перспективные материалы №10, (2011)

Антипов А.А., Аракелян С.М. и др. Перспективные материалы №10, (2011)

А.А. Антипов, С.М. Аракелян и др. Перспективные материалы №10, (2011)

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1989

Симакин А.В., Воронов В.В., Шафеев Г.А. Образование наночастиц при лазерной абляции твердых тел в жидкостях// «Труды института общей физики им. А.М. Прохорова» Том 60, 2004г