Las partículas compuestas con tamaños submicrónicos se pueden producir irradiando una suspensión de nanopartículas con un rayo láser. Durante la irradiación tienen lugar violentos procesos físicos y químicos, muchos de los cuales no se conocen bien hasta la fecha. Experimentos recientemente completados, llevados a cabo en el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias en Cracovia, han arrojado nueva luz sobre algunos de estos enigmas.

Cuando un rayo láser golpea aglomerados de nanopartículas suspendidas en un coloide, ocurren eventos que son tan dramáticos como útiles. El tremendo aumento de la temperatura conduce a la fusión de las nanopartículas en una partícula compuesta. Una fina capa de líquido junto al material calentado se transforma rápidamente en vapor y se producen secuencias completas de reacciones químicas en condiciones físicas que cambian en fracciones de segundo. Usando este método, llamado fusión por láser, los científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia no solo produjeron nuevos nanocompuestos, sino que también describieron algunos de los procesos poco conocidos responsables de su formación.

"El proceso de fusión por láser en sí mismo, que consiste en irradiar partículas de material en suspensión con luz láser no enfocada, se conoce desde hace años. Se utiliza principalmente para la producción de materiales de un solo componente. Nosotros, como uno de los dos únicos equipos de investigación en el mundo , están tratando de usar esta técnica para producir partículas submicrónicas compuestas. En esta área, el campo aún está en pañales, todavía hay muchas incógnitas, de ahí nuestra alegría de que se acaben de desentrañar algunos rompecabezas que nos tenían perplejos", dice el Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, profesora de IFJ PAN, coautora de un artículo científico recién publicado en la revista Scientific Reports .

La técnica más utilizada y al mismo tiempo más conocida para la síntesis de nanomateriales utilizando luz láser es la ablación láser. Con este método, un objetivo macroscópico se sumerge en un líquido y luego se pulsa con un rayo láser enfocado. Bajo la influencia de los impactos de fotones, las nanopartículas de material se desprenden del objetivo y terminan en el líquido, del que luego se pueden separar con bastante facilidad.

En el caso de la fusión por láser, el material de partida son nanopartículas previamente distribuidas en todo el volumen de un líquido, donde se forman sus aglomerados sueltos. El rayo láser utilizado para la irradiación esta vez se dispersa, pero se selecciona de tal manera que proporcione energía en cantidades suficientes para fundir las nanopartículas. Mediante la fusión por láser, es posible producir materiales construidos a partir de partículas que varían en tamaño desde nanómetros hasta micras, de diversas estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos) y estructuras físicas (homogéneas, aleaciones, compuestos), incluidas aquellas difíciles para producir con otras técnicas (por ejemplo, aleaciones de oro-hierro, oro-cobalto, oro-níquel).

El tipo de material formado durante la fusión por láser depende de muchos parámetros. Obviamente, el tamaño y la composición química de las nanopartículas iniciales son importantes, al igual que la intensidad, la eficiencia y la duración de los pulsos de luz láser. Los modelos teóricos actuales permitieron a los científicos del PAN de la FIP planificar inicialmente el proceso de producción de nuevos nanocompuestos, pero en la práctica, los intentos no siempre condujeron a la creación de los materiales esperados. Obviamente, había factores involucrados que no se habían tenido en cuenta en los modelos.

El Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, físico del PAN de la FIP responsable de la descripción teórica de la interacción de las nanopartículas con la luz láser, presenta uno de los problemas de la siguiente manera:

"Los aglomerados de nanopartículas débilmente conectadas suspendidas en el líquido absorben la energía del rayo láser, se calientan por encima del punto de fusión y se unen permanentemente, mientras experimentan mayores o menores transformaciones químicas. Nuestros modelos teóricos muestran que la temperatura de las nanopartículas puede aumentar hasta cuatro mil Kelvin en algunos casos. Desafortunadamente, no existen métodos que puedan medir directamente la temperatura de las partículas. Sin embargo, es la temperatura y sus cambios los factores más críticos que afectan la estructura física y química del material transformado". /P>

Para comprender mejor la naturaleza de los fenómenos que ocurren durante la fusión del láser, en su última investigación, los físicos de IFJ PAN utilizaron alfa-Fe₂ O₃ nanopartículas de hematites. Se introdujeron en tres disolventes orgánicos diferentes:alcohol etílico, acetato de etilo y tolueno. El recipiente con el coloide preparado se colocó en una lavadora ultrasónica, lo que garantizó que no hubiera compactación descontrolada de partículas. A continuación, las muestras se irradiaron con pulsos láser de 10 ns de duración, repetidos a una frecuencia de 10 Hz, que, según la versión del experimento, dieron como resultado la formación de partículas con tamaños que oscilaban entre los 400 y los 600 nanómetros.

Los análisis detallados de los nanocompuestos producidos permitieron a los investigadores del PAN de la FIP descubrir cómo, dependiendo de los parámetros del haz utilizado, es posible determinar el tamaño crítico de las partículas que primero comienzan a cambiar bajo la influencia de la luz láser. También se confirmó que las partículas de nanocompuestos más grandes alcanzan temperaturas más bajas, con partículas de hematita de tamaños cercanos a 200 nm calentadas a la temperatura más alta (las estimaciones teóricas sugirieron aquí el valor de 2320 K). Sin embargo, los resultados más interesantes de los experimentos resultaron ser los relacionados con los líquidos.

Sobre todo, fue posible observar una relación entre la constante dieléctrica del líquido y el tamaño de las partículas compuestas producidas:cuanto menor era la constante, más grandes eran los aglomerados. Los análisis también confirmaron la suposición de que una fina capa de líquido cerca de una nanopartícula calentada se descompone rápidamente durante muchas reacciones químicas. Dado que estas reacciones tienen lugar en diferentes líquidos de manera diferente, los materiales resultantes también diferían en estructura y composición química. Las partículas producidas en acetato de etilo consistían en una magnetita prácticamente uniforme, mientras que en alcohol etílico se formaba un compuesto de magnetita-wustita.

"El papel de los líquidos en la producción de nanocompuestos por fusión con láser resulta ser más importante de lo que todos pensaban anteriormente. Todavía sabemos muy poco sobre muchas cosas. Afortunadamente, nuestros resultados actuales sugieren cuáles deberían ser las próximas direcciones de investigación. El objetivo final es obtener un conocimiento completo sobre los procesos que tienen lugar en el coloide y construir modelos teóricos que permitan el diseño preciso tanto de las propiedades de los nanocompuestos como de los métodos para su producción a mayor escala", dice la Dra. Świątkowska-Warkocka. + Explora más

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