激光熔化：激光纳米合成复合材料的未知因素较少

长三角G60激光联盟导读

激光熔化：通过激光束照射纳米颗粒悬浮液，可以产生亚微米尺寸的复合材料复合颗粒的激光纳米合成中较少的未知因素。辐射过程中会发生剧烈的物理和化学过程，其中许多至今还不太清楚。最近在克拉科夫的波兰科学院核物理研究所完成的实验为这些难题提供了新的线索。

通过激光熔融获得的一种复合材料的纳米颗粒的显微照片。假色根据左下角可见的键描绘氧、铁、碳和硅的分布。来源：IFJ PAN

当激光束照射悬浮在胶体中的纳米颗粒团聚体时，发生的事件既戏剧性又有用。温度的大幅升高导致纳米颗粒熔化在一起形成复合颗粒。加热材料旁边的一层薄薄的液体迅速转变为蒸汽，整个化学反应过程在物理条件下发生，物理条件在几秒钟内发生变化。使用这种称为激光熔化的方法，来自IFJ PAN的科学家不仅生产了新的纳米复合材料，还描述了一些对其形成过程知之甚少的过程。

“激光熔化过程本身，包括用非聚焦激光照射悬浮的材料颗粒，多年来已经为人所知。它主要用于生产单组分材料。作为世界上仅有的两个研究团队之一，我们正在尝试使用这一技术生产复合亚微米颗粒。在这一领域，该领域仍处于起步阶段，因此，该领域的研究还处于起步阶段。还有很多未知，因此我们很高兴一些困扰我们的谜题刚刚被解开，”IFJ PAN的教授、刚刚发表在《科学报告》杂志上的一篇科学文章的合著ŻanetaŚwiątkowska Warkocka博士说。

激光烧蚀是使用激光合成纳米材料的最广泛、同时也是最为人熟知的技术。使用这种方法，宏观目标被浸没在液体中，然后用聚焦激光束产生脉冲。在光子冲击的影响下，材料的纳米颗粒被从靶上撕下，最终进入液体中，之后可以很容易地从液体中分离出来。

（A）（a）α-Fe2O3纳米颗粒和（b-e）纳米复合材料的SEM图像（左侧）和XRD图案（右侧），所述纳米复合材料通过在不同有机溶剂中对α-Fe2O3纳米颗粒进行脉冲激光照射获得：（b）甲苯，（c）乙酸乙酯，（d）丙酮，（e）乙醇。532nm和180mJ/脉冲的脉冲激光照射。1小时，脉冲频率30 Hz；（B） 合成颗粒的最终直径是有机液体介电常数的函数（左轴，点）。颗粒的相组成百分比（右轴，条形图）。

在激光熔化的情况下，起始材料是预先分布在液体的整个体积中的纳米颗粒，其中形成了松散的团聚体。这次用于照射的激光束是散射的，但选择的方式是提供足以熔化纳米颗粒的能量。通过激光熔化，可以生产由尺寸从纳米到微米的颗粒、各种化学结构（纯金属、其氧化物和碳化物）和物理结构（均质、合金、复合材料）构成的材料，包括难以用其他技术生产的材料（如金铁、金钴、金镍合金）。

激光熔化过程中形成的材料类型取决于许多参数。显然，起始纳米颗粒的尺寸和化学成分很重要，激光脉冲的强度、效率和持续时间也很重要。目前的理论模型允许来自IFJ PAN的科学家最初计划生产新纳米复合材料的过程，但在实践中，这些尝试并不总是导致产生预期的材料。显然，模型中没有考虑到一些因素。

通过激光熔化生产纳米复合材料的设备，用于IFJ PAN进行的研究。来源：IFJ PAN

IFJ PAN负责纳米颗粒与激光相互作用的理论描述的物理学家Mohammad Sadegh Shakeri博士提出了以下问题之一：

“悬浮在液体中的松散连接的纳米颗粒的团聚体吸收激光束的能量，加热到熔点以上并永久结合，同时经历或多或少的化学转化。我们的理论模型表明，在某些情况下，纳米颗粒的温度可以升高到4000开尔文。不幸的是，没有任何方法可以降低温度。直接测量颗粒的温度。然而，温度及其变化是影响转化材料物理和化学结构的最关键因素。”

为了更好地理解激光熔化过程中发生的现象的性质，IFJ PAN的物理学家在最新研究中使用了α-Fe2O3赤铁矿纳米颗粒。将它们引入三种不同的有机溶剂中：乙醇、乙酸乙酯和甲苯。将装有制备胶体的容器放置在超声波清洗机中，确保不会出现不受控制的颗粒压实。然后用持续10纳秒的激光脉冲照射样品，以10 Hz的频率重复，这取决于实验的版本，导致形成尺寸从400纳米到600纳米的颗粒。

（A）封闭容器出口处所得挥发性化合物与乙酸乙酯的体积组成百分比；（i）照射前，（ii）在溶剂照射三小时后，（iii）在纳米颗粒悬浮液照射三小时之后；（B）封闭容器出口处所得挥发性化合物与乙醇的百分比组成；（i）（ii）在照射溶剂三小时后，（iii）在照射纳米颗粒悬浮液三小时后。

通过对所生产纳米复合材料的详细分析，IFJ PAN的研究人员发现，根据所用光束的参数，如何确定在激光影响下首先开始变化的粒子的临界尺寸。还证实，较大的纳米复合颗粒达到较低的温度，尺寸接近200nm的赤铁矿颗粒被加热到最高温度（理论估计值为2320K）。然而，实验中最有趣的结果是关于液体的结果。

“事实证明，液体在通过激光熔化生产纳米复合材料中的作用比所有人之前认为的更为重要。我们对许多事情仍然知之甚少。幸运的是，我们目前的研究结果表明了下一步的研究方向。最终目标是获得关于胶体中发生的过程的完整知识，并建立理论模型，以d允许在更大范围内精确设计纳米复合材料的性能和生产方法。”Świątkowska Warkocka博士说。

来源：Solvent-particles interactions during composite particles formation by pulsed laser melting of α-Fe2O3, Scientific Reports (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-15729-y

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