Quando le nanoparticelle d'oro nell'acqua sono illuminate da un laser, diventano molto caldi:ben al di sopra del punto di ebollizione dell'acqua. La formazione di bolle di vapore causata da questo, è ben noto. Nuovi esperimenti, però, utilizzando una telecamera ad altissima velocità, ora mostra che prima di questo, si forma una bolla molto più grande e, successivamente, esplode violentemente. Per la conversione energetica delle particelle nel liquido in cui si trovano, questa scoperta della dinamica della fase iniziale è molto importante. I ricercatori dell'Università di Twente e dell'Università di Utrecht nei Paesi Bassi ora pubblicano questi nuovi risultati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).
Le nanoparticelle accelerano localmente l'ebollizione dell'acqua quando la luce laser le illumina. Sulla superficie delle particelle, gli elettroni oscillano collettivamente. La vaporizzazione tramite questi cosiddetti "plasmoni" è molto più forte che nel caso in cui si riscaldasse solo localmente l'acqua usando un laser. Fino ad ora, la "prima giovinezza" di questa formazione di bolle non è stata presa in considerazione, mentre questa prima fase di nucleazione e di dinamica precoce determina in larga misura le fasi successive.
Fino ad ora, il comportamento della bolla è stato studiato su scale temporali di millisecondi. Grazie alla velocissima fotocamera "Brandaris128, " sviluppato dall'Università di Twente, ora è possibile guardare anche alla scala temporale dei nanosecondi. Poco dopo che la nanoparticella si è riscaldata, si forma una bolla che è cento volte più grande in volume delle bolle successive. Questa bolla esplode, seguito da bolle più piccole oscillanti. Alla fine, subentra il noto meccanismo, di bolle che crescono per vaporizzazione dell'acqua e per diffusione del gas che si scioglie nell'acqua.
Intuitivamente, ci si aspetterebbe che la dimensione di questa bolla gigante iniziale diventi più grande con una maggiore potenza laser sulla nanoparticella. In realtà, è il contrario. Con una potenza laser inferiore, ci vuole più tempo per iniziare la formazione delle bolle, ma questo è esplosivo. La dimensione è determinata anche dalla quantità di gas nell'acqua:'acqua povera di gas' dà bolle più grandi. Qui, anche il ritardo gioca un ruolo. Esperimenti e calcoli mostrano che la bolla gigante è una bolla di vapore puro e non una bolla di gas:il volume massimo è linearmente dipendente dall'energia.
Controllando le dinamiche iniziali e la violenza, le applicazioni delle nanoparticelle possono essere ulteriormente sfruttate. Le bolle migliorano la conversione di energia, ma la crescita esplosiva potrebbe anche causare danni ai tessuti circostanti, nelle applicazioni mediche. Le nanoparticelle saranno utilizzate come catalizzatori, per accelerare le reazioni chimiche. Per questa applicazione, la crescita esplosiva appena scoperta può essere un vantaggio.
La ricerca è stata condotta all'interno del Centro olandese per la conversione dell'energia catalitica multiscala, un programma olandese "Zwaartekracht" finalizzato alla conversione dell'energia a varie scale. I contributori al documento provengono dai gruppi:Physics of Fluids, BIOS Lab-on-a-Chip, Fisica delle Interfacce e dei Nanomateriali (Università di Twente, istituti MESA+ e TechMed) e la Chimica Inorganica e Catalisi (Università di Utrecht)
La carta, "Bolle plasmoniche giganti ed esplosive per nucleazione ritardata, " di Yuliang Wang, Mikhail Zaytsev, Guillaume Lajoinie, Hai Le The, Jan Eijkel, Albert van den Berg, Michel Versluis, Bert Weckhuysen, Xuehua Zhang, Harold Zandvliet e Detlef Lohse, appare il 12 luglio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).
