Четырехмерная электронная микроскопия помогла изучить сверхбыструю диффузию наночастиц

Американские физики с помощью четырехмерной электронной микроскопии смогли проследить за динамикой фотовозбужденных золотых наночастиц. Оказалось, что на малых временах такие частицы двигаются баллистически, а на больших — диффузионно и очень быстро. Полученные результаты могут оказаться крайне полезными при описании наносистем, в которых частицы приводятся в движение светом. Исследование опубликовано в Science Advances.

Броуновское движение частиц впервые привлекло внимание ученых еще в конце XIX века. Пассивное броуновское движение — беспорядочное движение микрочастиц в результате теплового движения молекул жидкости. Последнее время активно изучался вопрос, можно ли движением броуновских частиц управлять и использовать их таким образом в качестве микро- или даже наномоторчиков, прикрепив к какой-нибудь пассивной частице большего размера. Чаще всего для этого предлагают использовать металлические наночастицы и облучать их лазерным пучком. Однако, из-за очень маленьких масштабов длины и характерного времени, динамику такого сложного движения, в котором пассивное броуновское движение сочетается с управляемым движением под действием лазерного луча, очень сложно наблюдать, поэтому до сих пор она оставалась довольно мало исследована.

В своей новой работе физики из Калифорнийского Технологического Университета для изучения диффузионного движения золотых наночастиц использовали метод четырехмерной просвечивающей электронной микроскопии. Собранная учеными установка не только позволяла получать электронные микрофотографии высокого разрешения в зависимости от времени, но и исследовать наночастицы, помещенные в жидкую среду, которую при этом облучали лазерным пучком.

Золотые наночастицы помещали в жидкую пленку толщиной 200 нанометров и наблюдали за их поступательным движением при облучении фемтосекундными лазерными импульсами. Измерения проводились в двух режимах — для коротких временных интервалов и для длинных. Оказалось, что на коротких интервалах (порядка нескольких наносекунд) движение частиц является баллистическим. На больших же промежутках времени движение носило диффузионный характер, но с очень большой скоростью.

Измеренные коэффициенты диффузии для такого сверхбыстрого движения оказались на два порядка выше коэффициентов диффузии для обычных броуновских частиц. Кроме того, удалось показать, что они зависят от длины волны возбуждающего лазера и частоты импульсов. При этом на полученных изображениях ученые смогли обнаружить нанопузырьки, которые образуются вблизи поверхности наночастицы при возбуждении ее лазером. Физики предположили, что именно эти нанопузырьки и приводят к сверхбыстрой диффузии. Из-за того, что пузырек образуется быстро и только на одной стороне частицы, это приводит к поступательному движению наночастицы в определенном направлении.

Для описания такого механизма ученые предложили физическую модель, которая рассматривает динамику закипания жидкости вблизи поверхности наночастицы и позволяет оценить импульс, который ей при этом передается. Предложенная модель действительно смогла количественно описать полученные данные как для баллистического движения на малых временах, так и для сверхбыстрой диффузии — на больших.

Раньше мы писали, что из броуновской микрочастицы можно сделать достаточно мощный микромотор. Новые данные помогут уменьшить масштаб броуновских моторов с контролируемой динамикой до наноразмера.

Александр Дубов