Лазер взорвал микропузырь пара вокруг золотой наночастицы

Физики обнаружили, что под воздействием лазера на поверхности погруженной в воду золотой наночастицы через сотню микросекунд после начала облучения образуется пузырь пара размером до 100 микрометров, который так же быстро сжимается обратно. После этого на частице возникает пульсирующий газовый пузырек в 100 раз меньшего объема, который еще через пару миллисекунд перестает колебаться и начинает медленно расти. Эти процессы могут быть использованы для медицинских применений или в каталитической химии, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Если золотую или серебряную наночастицу опустить в воду, а потом посветить на нее лазером, то за счет эффекта плазмонного резонанса ее поверхность начнет сильно разогреваться, и около нее сформируется пузырек газа. Такие плазмонные пузырьки ученые пытаются использовать, например, в технологиях преобразования солнечной энергии, в каталитической химии или в медицине для терапии и диагностики. Поэтому то, как эти пузырьки пара ведут себя на относительно больших временах — порядка нескольких миллисекунд, — изучено довольно хорошо. При постоянном облучении размер пузырька достигает нескольких десятков микрометров, и в первые секунды этот рост происходит за счет испарения жидкости, а спустя примерно 10 миллисекунд после начала облучения доминирующим становится процесс теплового расширения из-за роста температуры под действием лазера окружающей жидкости.

Однако информации о том, что происходит с этими микропузырьками в первые микросекунды после начала облучения, из-за ограничений существующих экспериментальных методов, практически не было. Чтобы разобраться, как происходит зарождение газового пузырька на плазмонной наночастице и что с ним происходит в первые мнгновения его жизни, группа физиков из Китая, Нидерландов, Канады и Германии под руководством Детлефа Лозе (Detlef Lohse) из Университета Твенте разработала камеру со сверхвысокой скоростью съемки, которая позволяет производить запись с временным разрешением до 100 наносекунд (то есть делать до 10 миллионов кадров за одну секунду). С помощью этой камеры ученые внимательно проследили за развитием газового пузырька, который образуется на золотых наночастицах размером около 100 нанометров, размещенных по узлам квадратной решетки на поверхности оксида кремния.

Оказалось, что процесс формирования пузыря состоит из четырех основных стадий. При этом самые интересные процессы происходят на первых двух этапах — еще до того, как начинается монотонных рост объема пузыря: сначала пузырь резко увеличивается в размерах примерно до 40 микрометров, после чего «сдувается» обратно и начинает пульсировать, меняя свой объем от 10 микрометров до нуля. Эти две стадии продолжаются примерно 2 миллисекунды, после чего уже происходит переход монотонному росту объема капли.

По результатам наблюдений, первая стадия начинается с задержкой примерно в 100 микросекунд после начала облучения и сама тоже занимает около 100 микросекунд. Резкое увеличение газового пузыря происходит за счет локального увеличения температуры до 150–220 градусов Цельсия. При этом максимальная скорость роста достигает 12,5 метров в секунду, что примерно на 4 порядка больше, чем в случае роста за счет испарения и диффузионного расширения. При этом согласно теоретическим моделям, этот пузырь полностью состоит из испарившейся воды, и в нем практически нет воздуха.

После исчезновения первого гигантского пузыря происходит переход в колебательный режим, который поддерживается за счет равновесия между процессами испарения воды и диссипации энергии. Максимальный объем пузырька на этой стадии примерно в 100 раз меньше, чем у первого пузыря на начальном этапе, а период колебаний объема — примерно в три раза меньше чем длительность первой стадии. Со временем испарение воды становится доминирующим процессом, и из второй стадии пузырь переходит в третью, в которой начинается его медленный монотонный рост.

Ученые отмечают, что основную роль при зарождении пузыря играет газ, растворенный в жидкости. Поэтому в насыщенной газом воде и в дегазированной воде динамика роста и пульсаций газового пузыря будет довольно заметно отличаться. В частности, чем больше концентрация растворенного газа, тем больше будет максимальный объем пузыря. Также от концентрации растворенного газа зависит длительность задержки перед формированием первого пузыря. Кроме того, этот процесс сильно зависит и от интенсивности лазерного облучения. Однако, при увеличении интенсивности лазера максимальный объем пузырька не увеличивается, как можно было ожидать, а наоборот, падает — этот эффект связан с меньшими потерями энергии при снижении мощности лазерного пучка.

По словам авторов работы, возможность быстрого образования большого парового пузыря сразу после начала облучения может использоваться в медицинских приложениях (например для разрушения раковых клеток) или для повышения эффективности катализа на золотых наночастицах.

У погруженных в воду плазмонных наночастиц существуют и другие интересные способы применения. Например, именно использование золотых плазмонных наночастиц позволило физикам из Китая и США разработать способ, с помощью которого лазером можно направлять поток жидкости в нужную сторону.

Александр Дубов