Pequeñas estructuras a micro y nanoescala dentro de la superficie de un material son invisibles a simple vista, pero juegan un papel importante en la determinación del físico de un material, químico, y propiedades biomédicas.

En los ultimos años, Chunlei Guo y su equipo de investigación de la Universidad de Rochester han encontrado formas de manipular esas estructuras irradiando pulsos de láser a la superficie de un material. Han alterado materiales para repeler el agua, atraer agua, y absorben grandes cantidades de luz, todo sin ningún tipo de recubrimiento.

Ahora, Guo, Anatoliy Vorobyev, y Ranran Fang, investigadores del Instituto de Óptica de la Universidad, han hecho avanzar la investigación un paso más. Desarrollaron una técnica para visualizar por primera vez, la evolución completa de la formación estructural a micro y nanoescala en la superficie de un material, tanto durante como después de la aplicación de un pulso láser.

"Después de que determinamos que podríamos alterar drásticamente la propiedad de un material mediante la creación de pequeñas estructuras en su superficie, el siguiente paso natural fue comprender cómo se formaron estas pequeñas estructuras, "Dice Guo." Esto es muy importante porque una vez que comprendes cómo se forman, puedes controlarlos mejor ".

Tener ese control abrirá el camino a mejoras en todo tipo de tecnologías, incluidos los materiales de construcción anticorrosivos, absorbentes de energía, celdas de combustible, telescopios espaciales, descongelación de aviones, instrumentación médica, y saneamiento en países del tercer mundo.

En un artículo publicado en la revista Nature Luz:ciencia y aplicaciones , el grupo introdujo una técnica de imágenes de luz dispersa que les permite grabar una película ultrarrápida de las formas en que la radiación láser altera la superficie de un material. La técnica abre una ventana a todo el proceso, desde el momento en que un láser golpea el material hasta que se derrite, fluctuaciones transitorias de la superficie, y resolidificación que da como resultado micro y nanoestructuras permanentes.

Actualmente, se tarda aproximadamente una hora en modelar una muestra de metal de una pulgada por una pulgada. La identificación de cómo se forman las micro y nanoestructuras tiene el potencial de permitir a los científicos optimizar la creación de estas estructuras, incluido el aumento de la velocidad y la eficiencia de las superficies de modelado.

La creación y alteración de estas pequeñas estructuras hace que las propiedades formen parte intrínseca del material y reduce la necesidad de revestimientos químicos temporales.

Para producir estos efectos, los investigadores utilizan un láser de femtosegundos. Este láser produce un pulso ultrarrápido con una duración de decenas de femtosegundos. (Un femtosegundo es igual a una cuadrillonésima parte de un segundo).

Cambiar las condiciones del láser provoca cambios en las características morfológicas de las estructuras de la superficie, como su geometría, Talla, y densidad, lo que lleva al material a exhibir varias propiedades físicas específicas.

Es difícil obtener imágenes detalladas y películas de eventos en micro y nanoescalas porque ocurren durante una cuestión de femtosegundos, picosegundos (una billonésima de segundo), y nanosegundos (una mil millonésima de segundo).

Para poner esto en perspectiva:Vorobyev explica que la luz tarda aproximadamente un segundo en viajar desde la Tierra a la Luna. Sin embargo, la luz viaja solo alrededor de un pie en un nanosegundo y aproximadamente 0.3 micrómetros en un femtosegundo, que es una distancia comparable al diámetro de un virus o bacteria.

Una cámara de video típica graba una serie de imágenes a una velocidad de cinco a 30 cuadros por segundo. Al reproducir la serie de imágenes en tiempo real, Los ojos humanos perciben un movimiento continuo en lugar de una serie de fotogramas separados.

Entonces, ¿cómo pudo el equipo de Guo grabar fotogramas en un intervalo de femtosegundos? picosegundos, y nanosegundos? Utilizaron una técnica que involucraba luz dispersa. Durante un pulso láser de femtosegundos, el rayo se divide en dos:un rayo de bombeo apunta al objetivo material para provocar cambios micro y nanoestructurales, y el segundo haz de sonda actúa como un flash para iluminar el proceso y grabarlo en una cámara CCD, un dispositivo de imágenes de alta sensibilidad con capacidades de alta resolución.

"Trabajamos muy duro para desarrollar esta nueva técnica, "Dice Guo." Con la luz dispersa pulsando a intervalos de tiempo de femtosegundos, podemos capturar los cambios muy pequeños a una velocidad extremadamente rápida. A partir de estas imágenes podemos ver claramente cómo comienzan a formarse las estructuras ".

Guo explica que esta técnica de visualización de luz dispersa tiene aplicaciones para capturar cualquier proceso que tenga lugar en una escala de minutos. "La técnica que desarrollamos no se limita necesariamente a estudiar los efectos superficiales producidos en mi laboratorio. La base que establecimos en este trabajo es muy importante para estudiar cambios ultrarrápidos y minúsculos en la superficie de un material". Esto incluye estudiar la fusión, cristalografía, dinámica de fluidos, e incluso actividades celulares.