亮点 | 同步双脉冲激光烧蚀中的气泡相互作用效应

Photonics Research 2023年第12期Editors’ Pick：

Farbod Riahi, Alexander Bußmann, Carlos Doñate-Buendia, Stefan Adami, Nicolaus A. Adams, Stephan Barcikowski, Bilal Gökce. Characterizing bubble interaction effects in synchronous-double-pulse laser ablation for enhanced nanoparticle synthesis[J]. Photonics Research, 2023, 11(12): 2054

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液体脉冲激光烧蚀（PLAL）是一种广泛使用的纳米颗粒合成技术，在物理、化学、纳米医学等领域均有重要的应用。但是，如何精确控制合成纳米颗粒的粒径尺寸一直是一个困难的挑战。近日，德国伍珀塔尔大学机械工程与安全工程学院的科研团队提出了攻克这一挑战的有效方案。他们发现在PLAL过程中，光与物质相互作用中产生的空化气泡是控制颗粒形成的一个关键元素。因此可以通过调整脉冲激光的参数来控制空化气泡的形成，从而实现对于合成纳米颗粒粒径尺寸的控制。该研究不仅能够加深人们对于PLAL技术的理解，同时也可为发展先进环保的纳米制造技术提供重要支持。

——周张凯教授，中山大学

Photonics Research 青编委

背景介绍

液体脉冲激光烧蚀（PLAL）是一种用于纳米颗粒合成的先进技术。该技术的原理是使用激光源对浸没在液体中的材料进行照射。由于可以灵活更换液体和被照射的材料，这项技术展现出了多功能性优势；此外，还可以通过加入特定的离子和掺杂剂来定制纳米颗粒，实现对其组成和表面化学的精确控制。由于纳米颗粒的纯度、成分及表面官能团直接对其性能产生影响，纳米颗粒的控制在催化或纳米医学领域尤为重要。

尽管PLAL技术具有诸多优势，但控制纳米颗粒的尺寸分布依然是一个挑战。传统方法通常采用表面活性剂来实现控制，但这可能会降低PLAL技术合成纳米颗粒的纯度和表面活性。近期，为了在不添加额外物质的情况下控制纳米颗粒的大小，科研人员尝试了采用光子方法改变激光与材料的相互作用。在PLAL过程中，由激光与液体及目标材料的相互作用产生的空化气泡是一个关键元素，它们在纳米颗粒形成过程中起到了微型反应器的作用。因此，通过调整强度、持续时间和光束间距等激光参数来控制气泡的形成，是一种有前景的纳米颗粒尺寸控制方法。然而，空化气泡工程的效果、特别是气泡间的横向相互作用对PLAL过程中纳米颗粒尺寸的影响，尚待进一步探索。

研究创新点

为解决上述挑战，德国伍珀塔尔大学机械工程与安全工程学院的科研团队研究了同步双激光脉冲之间的空间间距影响空化气泡的形成和动态行为，进而影响PLAL产生的纳米颗粒的特性。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第12期，被遴选为Editors’ Pick。

在研究工作中，作者利用一种先进的同轴时间分辨扩散阴影成像技术，观察了金（Au）和钇铝石榴石（YAG）在激光烧蚀过程中由双激光脉冲引发的同步空间分离气泡对（图1a）的动态行为。这项技术使得研究人员能够以纳秒级的时间分辨率，从多个视角捕捉到这些气泡的合并和破裂过程（图1b）。研究结果揭示了气泡的侧向分离对其相互作用有着显著的影响。特别是当两个气泡之间的特定横向距离达到最大空化气泡尺寸的2倍时，合成纳米颗粒的尺寸显著增加了3倍以上。这一现象在金和钇铝石榴石的激光烧蚀过程中均得到了一致的观察结果（图 1c）。

当气泡间的横向距离达到特定值时，它们之间的相互作用会发生显著变化，包括对称性破坏、收缩以及破裂动态行为（图 1d），从而解释了纳米粒子尺寸的增加。具体而言，当两个气泡的距离等于它们最大尺寸的2倍时，可以观察到新的气泡相互作用动态行为，包括破裂前形成气泡间喷流以及气泡的高速运动（图 1e）。这些现象是通过先进的阴影成像技术观察到的，这揭示了纳米颗粒尺寸增加到三倍与气泡相互作用的独特动力学之间的直接联系，图1f所示。

图(a) 最大气泡高度归一化间距的激光诱导气泡对；(b) 侧视和俯视成像几何示意图；(c) 不同脉冲间距合成的 Au 和 YAG 纳米粒子的 STEM 图像；(d）阴影图显示了空化气泡动态的时间演变；(e) ?x = 460 µm 处的气泡间距 (IBD) 测量值与单个气泡相互吸引速度的关系图；(f) 归一化横向脉冲间距对 YAG 和金纳米粒子尺寸的影响

总结与展望

在PLAL技术中，调控气泡间的相互作用，已被证明为一种控制纳米粒子尺寸分布的潜在手段，且该方法无需添加任何额外物质。这项研究为理解空化气泡对纳米粒子合成过程的影响提供了重要视角，为材料加工和纳米粒子设计开辟了新领域。

研究团队表示：“这项研究旨在进一步探索气泡对的空间甚至时间控制对改变其相互作用的影响，以及为 PLAL 尺寸控制纳米粒子合成铺平了道路。未来，通过对时间和空间脉冲之间的精确控制，实现对空化气泡影响下纳米粒子尺寸的调控将变得至关重要，可根据能源、生物医疗或催化等不同应用的需求，定制所需的胶体尺寸。”