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(Noticias de Nanowerk) Las partículas compuestas de tamaño submicrónico se pueden preparar irradiando una suspensión de nanopartículas con un rayo láser. Durante la irradiación tienen lugar violentos procesos físicos y químicos, muchos de los cuales todavía no se conocen bien. Los experimentos realizados recientemente en el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia han arrojado nueva luz sobre algunos de estos misterios anteriores.
Cuando un rayo láser golpea aglomerados de nanopartículas suspendidas en un coloide, ocurren eventos que son tan dramáticos como beneficiosos. El enorme aumento de temperatura conduce a la fusión de nanopartículas en una partícula compuesta. Una fina capa de líquido junto al material calentado se convierte rápidamente en vapor, secuencias completas de reacciones químicas tienen lugar en condiciones físicas que cambian en fracciones de segundo.
Usando el método presentado aquí, 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, en el que las partículas de material en suspensión se irradian con luz láser no enfocada, se conoce desde hace años. Se utiliza principalmente en la fabricación de materiales de un componente. Como uno de los dos únicos equipos de investigación en el mundo, estamos intentando utilizar esta técnica para crear partículas submicrónicas compuestas. En esta área, el campo aún está en pañales, todavía hay muchas incógnitas, de ahí nuestro deleite de que se hayan resuelto algunos misterios que nos han estado confundiendo”, dice el Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, profesora de IFJ PAN, coautora de un artículo científico publicado en la revista Informes científicos («Interacciones solvente-partícula durante la formación de partículas compuestas por láser pulsado de fusión de α-Fe2O3«).
![Micrografía de nanocompositos obtenidos por fusión láser](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61401_1.jpg)
La técnica más extendida y al mismo tiempo más conocida para la síntesis de nanomateriales con luz láser es la ablación láser: un objetivo macroscópico se sumerge en un líquido y luego se pulsa con un rayo láser enfocado. Bajo la influencia de los impactos de los fotones, las nanopartículas se desprenden del objetivo y terminan en el líquido, del que luego se pueden separar con bastante facilidad.
El material de partida para la fusión por láser son nanopartículas que se distribuyen previamente por el volumen de un líquido, donde se forman sus aglomerados sueltos. El rayo láser utilizado para la irradiación esta vez se dispersa, pero se elige para proporcionar energía en cantidades suficientes para derretir las nanopartículas. Mediante la fusión por láser, es posible fabricar materiales compuestos de partículas que varían en tamaño desde nanómetros hasta micrómetros de diversas estructuras químicas (metales puros, sus óxidos y carburos) y estructuras físicas (homogéneas, aleaciones, compuestos), incluidas las más difíciles de fabricar. con otras técnicas (por ejemplo, B. aleaciones de oro-hierro, oro-cobalto, oro-níquel).
El tipo de material que resulta de 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 de IFJ PAN planificar inicialmente el proceso para producir nuevos nanocompuestos, pero en la práctica los experimentos no siempre condujeron a la producción de los materiales esperados. Evidentemente había factores que no se habían tenido en cuenta en los modelos.
dr. Mohammad Sadegh Shakeri, físico de IFJ PAN, responsable, entre otras cosas, de la descripción teórica de la interacción de las nanopartículas con la luz láser, describe uno de los problemas de la siguiente manera: «Los aglomerados de nanopartículas débilmente conectadas suspendidas en el líquido absorben la energía del rayo láser y el calor se elevan por encima del punto de fusión y se combinan permanentemente con transformaciones más o menos químicas. Nuestros modelos teóricos muestran que la temperatura de las nanopartículas a veces puede subir hasta cuatro mil Kelvin. Desafortunadamente, no existen métodos que puedan medir directamente la temperatura de las partículas. ¡Pero la temperatura y sus cambios son los factores más críticos que afectan la estructura física y química del material transformado!”
Para comprender mejor la naturaleza de los fenómenos que ocurren durante la fusión del láser, los físicos de IFJ PAN utilizaron nanopartículas de alfa-Fe2O3-hematita en su última investigación. Se colocaron 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 de láser de 10 ns de duración, repetidos a una frecuencia de 10 Hz, lo que condujo a la formación de partículas de entre 400 y 600 nanómetros de tamaño, según la variante de prueba.
A través de análisis detallados de los nanocompuestos producidos, los investigadores de IFJ PAN pudieron descubrir cómo, dependiendo de los parámetros del haz utilizado, se puede determinar el tamaño crítico de las partículas, que inicialmente comienzan a cambiar bajo la influencia de la luz láser. También se ha confirmado que las partículas de nanocompuestos más grandes alcanzan una temperatura más baja, y las partículas de hematita con tamaños cercanos a los 200 nm se calientan a la temperatura más alta (las estimaciones teóricas aquí sugieren un valor de 2320 K). Sin embargo, los resultados más interesantes de los experimentos resultaron estar relacionados con los líquidos.
Sobre todo, se pudo observar una conexión 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 en las proximidades de una nanopartícula calentada se descompone rápidamente en muchas reacciones químicas. Debido a que estas reacciones ocurren de manera diferente en diferentes líquidos, los materiales resultantes también difieren en estructura y composición química. Las partículas producidas en acetato de etilo consistían en 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 se pensaba. 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 integral de los procesos que ocurren en el coloide y crear modelos teóricos que permitan diseñar con precisión las propiedades del nanocompuesto y los procesos para su producción a mayor escala”, resume el Dr. Świątkowska-Warkocka juntos.
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