Particelle composite con dimensioni submicroniche possono essere prodotte irradiando una sospensione di nanoparticelle con un raggio laser. Durante l'irradiazione si verificano violenti processi fisici e chimici, molti dei quali sono stati poco conosciuti fino ad oggi. Esperimenti recentemente completati, condotti presso l'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze a Cracovia, hanno gettato nuova luce su alcuni di questi enigmi.

Quando un raggio laser colpisce agglomerati di nanoparticelle sospese in un colloide, si verificano eventi tanto drammatici quanto utili. Il tremendo aumento della temperatura porta alla fusione di nanoparticelle in una particella composita. Un sottile strato di liquido accanto al materiale riscaldato si trasforma rapidamente in vapore e intere sequenze di reazioni chimiche avvengono in condizioni fisiche che cambiano in frazioni di secondo. Utilizzando questo metodo, chiamato fusione laser, gli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia non solo hanno prodotto nuovi nanocompositi, ma hanno anche descritto alcuni dei processi poco conosciuti responsabili della loro formazione.

"Il processo di fusione laser stesso, costituito dall'irradiazione di particelle di materiale in sospensione con luce laser non focalizzata, è noto da anni. Viene utilizzato principalmente per la produzione di materiali monocomponenti. Noi, come uno degli unici due gruppi di ricerca al mondo , stanno cercando di utilizzare questa tecnica per produrre particelle composite submicroniche. In quest'area, il campo è ancora agli inizi, ci sono ancora molte incognite, da qui la nostra gioia per il fatto che alcuni enigmi che ci hanno lasciato perplessi siano stati appena svelati", afferma la dott.ssa Żaneta Świątkowska-Warkocka, professore all'IFJ PAN, coautore di un articolo scientifico appena pubblicato sulla rivista Scientific Reports .

La tecnica più utilizzata e allo stesso tempo più conosciuta per la sintesi di nanomateriali mediante luce laser è l'ablazione laser. Con questo metodo, un target macroscopico viene immerso in un liquido e quindi pulsato con un raggio laser focalizzato. Sotto l'influenza dell'impatto dei fotoni, le nanoparticelle di materiale vengono strappate dal bersaglio e finiscono nel liquido, da cui possono essere separate in seguito abbastanza facilmente.

Nel caso della fusione laser, il materiale di partenza è costituito da nanoparticelle precedentemente distribuite nell'intero volume di un liquido, dove si formano i loro agglomerati sciolti. Il raggio laser utilizzato per l'irradiazione questa volta è diffuso, ma selezionato in modo tale da fornire energia in quantità sufficiente a fondere le nanoparticelle. Mediante la fusione laser è possibile produrre materiali costituiti da particelle di dimensioni variabili dai nanometri ai micron, di diverse strutture chimiche (metalli puri, loro ossidi e carburi) e fisiche (omogenee, leghe, compositi), anche di difficile produrre con altre tecniche (es. leghe oro-ferro, oro-cobalto, oro-nichel).

Il tipo di materiale formato durante la fusione laser dipende da molti parametri. Ovviamente, la dimensione e la composizione chimica delle nanoparticelle di partenza sono importanti, così come l'intensità, l'efficienza e la durata degli impulsi di luce laser. Gli attuali modelli teorici hanno consentito agli scienziati dell'IFJ PAN di pianificare inizialmente il processo di produzione di nuovi nanocompositi, ma in pratica i tentativi non hanno sempre portato alla creazione dei materiali previsti. Ovviamente, c'erano fattori coinvolti che non erano stati presi in considerazione nei modelli.

Il Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, fisico dell'IFJ PAN responsabile della descrizione teorica dell'interazione delle nanoparticelle con la luce laser, presenta uno dei problemi come segue:

"Gli agglomerati di nanoparticelle debolmente connesse sospese nel liquido assorbono l'energia del raggio laser, si riscaldano al di sopra del punto di fusione e si legano in modo permanente, subendo trasformazioni chimiche maggiori o minori. I nostri modelli teorici mostrano che la temperatura delle nanoparticelle può aumentare fino a quattromila Kelvin in alcuni casi. Sfortunatamente, non esistono metodi in grado di misurare direttamente la temperatura delle particelle. Eppure è la temperatura e le sue variazioni che sono i fattori più critici che influenzano la struttura fisica e chimica del materiale trasformato."

Per comprendere meglio la natura dei fenomeni che si verificano durante la fusione del laser, nelle loro ultime ricerche i fisici dell'IFJ PAN hanno utilizzato alfa-Fe₂ O₃ nanoparticelle di ematite. Sono stati introdotti in tre diversi solventi organici:alcol etilico, acetato di etile e toluene. Il contenitore con il colloide preparato è stato posto in una lavatrice ad ultrasuoni, che garantiva che non ci sarebbe stata una compattazione incontrollata delle particelle. I campioni sono stati quindi irradiati con impulsi laser della durata di 10 ns, ripetuti ad una frequenza di 10 Hz, che, a seconda della versione dell'esperimento, hanno portato alla formazione di particelle con dimensioni comprese tra 400 e 600 nanometri.

Analisi dettagliate dei nanocompositi prodotti hanno permesso ai ricercatori dell'IFJ PAN di scoprire come, a seconda dei parametri del raggio utilizzato, sia possibile determinare la dimensione critica delle particelle che per prime iniziano a cambiare sotto l'influenza della luce laser. È stato anche confermato che le particelle nanocomposite più grandi raggiungono una temperatura più bassa, con particelle di ematite di dimensioni vicine a 200 nm riscaldate alla temperatura più alta (stime teoriche suggeriscono qui il valore di 2320 K). Tuttavia, i risultati più interessanti degli esperimenti si sono rivelati quelli relativi ai liquidi.

Soprattutto è stato possibile osservare una relazione tra la costante dielettrica del liquido e la dimensione delle particelle composite prodotte:più piccola era la costante, più grandi erano gli agglomerati. Le analisi hanno anche confermato l'ipotesi che un sottile strato di liquido vicino a una nanoparticella riscaldata subisca una rapida decomposizione durante molte reazioni chimiche. Poiché queste reazioni hanno luogo in liquidi diversi in modo diverso, i materiali risultanti differivano anche per struttura e composizione chimica. Le particelle prodotte in acetato di etile erano costituite da una magnetite praticamente uniforme, mentre in alcol etilico si formava un composito magnetite-wustite.

"Il ruolo dei liquidi nella produzione di nanocompositi mediante fusione laser risulta essere più importante di quanto tutti pensassero in precedenza. Sappiamo ancora troppo poco di molte cose. Fortunatamente, i nostri risultati attuali suggeriscono quali dovrebbero essere le prossime direzioni di ricerca. L'obiettivo finale è acquisire una conoscenza completa dei processi che avvengono nel colloide e costruire modelli teorici che consentirebbero la progettazione precisa sia delle proprietà dei nanocompositi che dei metodi per la loro produzione su scala più ampia", afferma la dott.ssa Świątkowska-Warkocka. + Esplora ulteriormente

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