Weniger Unbekannte in der Lasernanosynthese von Verbundwerkstoffen

Kompositpartikel mit Submikrometergrößen können hergestellt werden, indem eine Suspension von Nanopartikeln mit einem Laserstrahl bestrahlt wird. Bei der Bestrahlung laufen heftige physikalische und chemische Prozesse ab, von denen viele bis heute kaum verstanden sind. Kürzlich abgeschlossene Experimente, die am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau durchgeführt wurden, haben ein neues Licht auf einige dieser Rätsel geworfen.

Wenn ein Laserstrahl auf Agglomerate von Nanopartikeln trifft, die in einem Kolloid suspendiert sind, treten ebenso dramatische wie nützliche Ereignisse auf. Die enorme Temperaturerhöhung führt zum Zusammenschmelzen von Nanopartikeln zu einem Kompositpartikel. Eine dünne Flüssigkeitsschicht neben dem erhitzten Material verwandelt sich schnell in Dampf, und ganze Abfolgen chemischer Reaktionen laufen unter physikalischen Bedingungen ab, die sich in Sekundenbruchteilen ändern. Mit dieser als Laserschmelzen bezeichneten Methode stellten Wissenschaftler des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau nicht nur neue Nanokomposite her, sondern beschrieben auch einige der kaum verstandenen Prozesse, die für ihre Entstehung verantwortlich sind.

„Der Laserschmelzprozess selbst, bestehend aus der Bestrahlung von in Suspension befindlichen Materialpartikeln mit unfokussiertem Laserlicht, ist seit Jahren bekannt. Er wird hauptsächlich zur Herstellung von Einkomponentenmaterialien eingesetzt. Wir, als eines von nur zwei Forschungsteams weltweit , versuchen, diese Technik zu nutzen, um zusammengesetzte Submikron-Partikel herzustellen. Auf diesem Gebiet steckt das Gebiet noch in den Kinderschuhen, es gibt noch viele Unbekannte, daher unsere Freude, dass einige Rätsel, die uns verwirrt haben, gerade gelöst wurden“, sagt Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, Professorin am IFJ PAN, Co-Autorin eines gerade in der Zeitschrift veröffentlichten wissenschaftlichen Artikels Wissenschaftliche Berichte.

Die am weitesten verbreitete und zugleich bekannteste Technik zur Synthese von Nanomaterialien mit Laserlicht ist die Laserablation. Bei diesem Verfahren wird ein makroskopisches Target in eine Flüssigkeit getaucht und anschließend mit einem fokussierten Laserstrahl gepulst. Unter dem Einfluss von Photoneneinschlägen werden Nanopartikel aus dem Target herausgerissen und gelangen in die Flüssigkeit, aus der sie sich später recht einfach abtrennen lassen.

Ausgangsmaterial beim Laserschmelzen sind Nanopartikel, die zuvor im gesamten Volumen einer Flüssigkeit verteilt werden, wo sich ihre losen Agglomerate bilden. Der diesmal zur Bestrahlung verwendete Laserstrahl ist gestreut, aber so gewählt, dass er Energie in ausreichenden Mengen bereitstellt, um die Nanopartikel zu schmelzen. Mittels Laserschmelzen ist es möglich, Materialien herzustellen, die aus Partikeln im Größenbereich von Nanometern bis Mikrometern verschiedener chemischer Strukturen (reine Metalle, ihre Oxide und Karbide) und physikalischen Strukturen (homogen, Legierungen, Verbundwerkstoffe) bestehen, einschließlich schwieriger mit anderen Techniken herzustellen (z. B. Gold-Eisen-, Gold-Kobalt-, Gold-Nickel-Legierungen).

Die Art des Materials, das beim Laserschmelzen entsteht, hängt von vielen Parametern ab. Offensichtlich ist die Größe und chemische Zusammensetzung der Ausgangs-Nanopartikel wichtig, ebenso wie die Intensität, Effizienz und Dauer der Laserlichtpulse. Aktuelle theoretische Modelle ermöglichten es Wissenschaftlern des IFJ PAN, den Prozess zur Herstellung neuer Nanokomposite zunächst zu planen, aber in der Praxis führten die Versuche nicht immer zur Herstellung der erwarteten Materialien. Offensichtlich gab es Faktoren, die in den Modellen nicht berücksichtigt worden waren.

Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, Physiker am IFJ PAN, verantwortlich für die theoretische Beschreibung der Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Laserlicht, stellt eines der Probleme wie folgt dar:

„Die in der Flüssigkeit schwebenden Agglomerate aus lose verbundenen Nanopartikeln absorbieren die Energie des Laserstrahls, erhitzen sich über den Schmelzpunkt und verbinden sich dauerhaft, wobei sie mehr oder weniger chemische Umwandlungen durchlaufen viertausend Kelvin. Leider gibt es keine Methoden, die die Temperatur der Partikel direkt messen können. Dennoch sind die Temperatur und ihre Änderungen die kritischsten Faktoren, die die physikalische und chemische Struktur des umgewandelten Materials beeinflussen.“

Um die Natur der beim Laserschmelzen auftretenden Phänomene besser zu verstehen, verwendeten Physiker des IFJ PAN in ihrer neuesten Forschung Alpha-Fe2O3-Hämatit-Nanopartikel. Sie wurden in drei verschiedene organische Lösungsmittel eingebracht: Ethylalkohol, Ethylacetat und Toluol. Der Behälter mit dem vorbereiteten Kolloid wurde in einen Ultraschallwäscher gegeben, der garantierte, dass es zu keiner unkontrollierten Verdichtung von Partikeln kam. Anschließend wurden die Proben mit Laserpulsen von 10 ns Dauer, wiederholt mit einer Frequenz von 10 Hz, bestrahlt, was je nach Versuchsvariante zur Bildung von Partikeln mit Größen zwischen 400 und 600 Nanometern führte.

Durch detaillierte Analysen der hergestellten Nanokomposite konnten Forscher des IFJ PAN herausfinden, wie sich je nach Parameter des verwendeten Strahls die kritische Größe der Partikel bestimmen lässt, die sich unter dem Einfluss von Laserlicht zunächst zu verändern beginnen. Es wurde auch bestätigt, dass größere Nanokompositpartikel eine niedrigere Temperatur erreichen, wobei Hämatitpartikel mit Größen nahe 200 nm auf die höchste Temperatur erhitzt werden (theoretische Schätzungen legen hier den Wert von 2320 K nahe). Die interessantesten Ergebnisse in den Experimenten erwiesen sich jedoch in Bezug auf Flüssigkeiten.

Vor allem konnte ein Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit und der Größe der hergestellten Kompositpartikel beobachtet werden: Je kleiner die Konstante, desto größer waren die Agglomerate. Die Analysen bestätigten auch die Vermutung, dass sich eine dünne Flüssigkeitsschicht in der Nähe eines erhitzten Nanopartikels bei vielen chemischen Reaktionen schnell zersetzt. Da diese Reaktionen in verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedlich ablaufen, unterscheiden sich die resultierenden Materialien auch in Struktur und chemischer Zusammensetzung. Die in Ethylacetat hergestellten Teilchen bestanden aus einem praktisch einheitlichen Magnetit, während in Ethylalkohol ein Magnetit-Wüstit-Verbundstoff gebildet wurde.

„Die Rolle von Flüssigkeiten bei der Herstellung von Nanokompositen durch Laserschmelzen erweist sich als wichtiger als bisher angenommen. Über viele Dinge wissen wir noch zu wenig. Glücklicherweise deuten unsere aktuellen Ergebnisse darauf hin, was die nächsten Forschungsrichtungen sein sollten. Das ultimative Ziel.“ besteht darin, umfassende Kenntnisse über die im Kolloid ablaufenden Prozesse zu erlangen und theoretische Modelle zu erstellen, die eine präzise Gestaltung sowohl der Eigenschaften von Nanokompositen als auch der Methoden ihrer Herstellung in größerem Maßstab ermöglichen würden“, sagt Dr. Świątkowska-Warkocka.

Bereitgestellt vom Henryk-Niewodniczanski-Institut für Kernphysik, Polnische Akademie der Wissenschaften