Moins d’inconnues dans la nanosynthèse laser des composites

Des particules composites de tailles submicroniques peuvent être produites en irradiant une suspension de nanoparticules avec un faisceau laser. Des processus physiques et chimiques violents se produisent pendant l’irradiation, dont beaucoup ont été mal compris à ce jour. Des expériences récemment achevées, menées à l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences à Cracovie, ont jeté un nouvel éclairage sur certaines de ces énigmes.

Lorsqu’un faisceau laser frappe des agglomérats de nanoparticules en suspension dans un colloïde, il se produit des événements aussi dramatiques qu’utiles. L’augmentation considérable de la température conduit à la fusion des nanoparticules en une particule composite. Une fine couche de liquide à côté du matériau chauffé se transforme rapidement en vapeur et des séquences entières de réactions chimiques se déroulent dans des conditions physiques qui changent en quelques fractions de seconde. En utilisant cette méthode, appelée fusion laser, des scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie ont non seulement produit de nouveaux nanocomposites, mais ont également décrit certains des processus mal compris responsables de leur formation.

« Le processus de fusion laser lui-même, consistant à irradier des particules de matériau en suspension avec une lumière laser non focalisée, est connu depuis des années. Il est principalement utilisé pour la production de matériaux à un seul composant. Nous, en tant que l’une des deux seules équipes de recherche au monde , tentent d’utiliser cette technique pour produire des particules submicroniques composites. Dans ce domaine, le domaine en est encore à ses balbutiements, il reste encore de nombreuses inconnues, d’où notre joie que certaines énigmes qui nous laissaient perplexes viennent d’être résolues », déclare le Dr Żaneta Świątkowska-Warkocka, professeur à IFJ PAN, co-auteur d’un article scientifique qui vient d’être publié dans la revue Rapports scientifiques.

La technique la plus largement utilisée et en même temps la plus connue pour la synthèse de nanomatériaux à l’aide de la lumière laser est l’ablation au laser. Avec cette méthode, une cible macroscopique est immergée dans un liquide puis pulsée avec un faisceau laser focalisé. Sous l’effet des impacts de photons, des nanoparticules de matériau sont arrachées à la cible et finissent dans le liquide, dont elles peuvent ensuite être séparées assez facilement.

Dans le cas de la fusion laser, le matériau de départ est constitué de nanoparticules préalablement réparties dans tout le volume d’un liquide, où se forment leurs agglomérats lâches. Le faisceau laser utilisé pour l’irradiation est cette fois diffusé, mais choisi de manière à fournir une énergie en quantité suffisante pour faire fondre les nanoparticules. Grâce à la fusion laser, il est possible de produire des matériaux constitués de particules dont la taille varie du nanomètre au micron, de diverses structures chimiques (métaux purs, leurs oxydes et carbures) et physiques (homogènes, alliages, composites), y compris celles difficiles à produire avec d’autres techniques (par exemple alliages or-fer, or-cobalt, or-nickel).

Le type de matériau formé lors de la fusion laser dépend de nombreux paramètres. De toute évidence, la taille et la composition chimique des nanoparticules de départ sont importantes, tout comme l’intensité, l’efficacité et la durée des impulsions lumineuses laser. Les modèles théoriques actuels ont permis aux scientifiques de l’IFJ PAN de planifier initialement le processus de production de nouveaux nanocomposites, mais en pratique, les tentatives n’ont pas toujours abouti à la création des matériaux attendus. Évidemment, il y avait des facteurs impliqués qui n’avaient pas été pris en compte dans les modèles.

Le Dr Mohammad Sadegh Shakeri, physicien à l’IFJ PAN responsable de la description théorique de l’interaction des nanoparticules avec la lumière laser, présente l’un des problèmes comme suit :

« Les agglomérats de nanoparticules faiblement connectées en suspension dans le liquide absorbent l’énergie du faisceau laser, s’échauffent au-dessus du point de fusion et se lient de manière permanente, tout en subissant des transformations chimiques plus ou moins importantes. Nos modèles théoriques montrent que la température des nanoparticules peut augmenter jusqu’à quatre mille Kelvin dans certains cas. Malheureusement, il n’existe aucune méthode permettant de mesurer directement la température des particules. Pourtant, c’est la température et ses variations qui sont les facteurs les plus critiques affectant la structure physique et chimique du matériau transformé.

Afin de mieux comprendre la nature des phénomènes se produisant lors de la fusion laser, dans leurs dernières recherches les physiciens de l’IFJ PAN ont utilisé des nanoparticules d’hématite alpha-Fe2O3. Ils ont été introduits dans trois solvants organiques différents : l’alcool éthylique, l’acétate d’éthyle et le toluène. Le récipient avec le colloïde préparé a été placé dans un laveur à ultrasons, ce qui garantissait qu’il n’y aurait pas de compactage incontrôlé des particules. Les échantillons ont ensuite été irradiés par des impulsions laser d’une durée de 10 ns, répétées à une fréquence de 10 Hz, qui, selon la version de l’expérience, ont entraîné la formation de particules de tailles allant de 400 à 600 nanomètres.

Des analyses détaillées des nanocomposites produits ont permis aux chercheurs de l’IFJ PAN de découvrir comment, en fonction des paramètres du faisceau utilisé, il est possible de déterminer la taille critique des particules qui commencent d’abord à changer sous l’influence de la lumière laser. Il a également été confirmé que les particules nanocomposites plus grosses atteignent une température plus basse, avec des particules d’hématite de tailles proches de 200 nm chauffées à la température la plus élevée (les estimations théoriques suggéraient ici la valeur de 2320 K). Cependant, les résultats les plus intéressants des expériences se sont avérés être ceux concernant les liquides.

Surtout, il a été possible d’observer une relation entre la constante diélectrique du liquide et la taille des particules composites produites : plus la constante est petite, plus les agglomérats sont gros. Les analyses ont également confirmé l’hypothèse selon laquelle une fine couche de liquide à proximité d’une nanoparticule chauffée subit une décomposition rapide au cours de nombreuses réactions chimiques. Étant donné que ces réactions se déroulent différemment dans différents liquides, les matériaux résultants diffèrent également par leur structure et leur composition chimique. Les particules produites dans l’acétate d’éthyle consistaient en une magnétite pratiquement uniforme, tandis qu’un composite magnétite-wustite était formé dans l’alcool éthylique.

« Le rôle des liquides dans la production de nanocomposites par fusion laser s’avère plus important que tout le monde ne le pensait auparavant. Nous savons encore trop peu de choses sur beaucoup de choses. Heureusement, nos résultats actuels suggèrent quelles devraient être les prochaines directions de recherche. Le but ultime est d’acquérir une connaissance complète des processus qui se déroulent dans le colloïde et de construire des modèles théoriques qui permettraient de concevoir avec précision à la fois les propriétés des nanocomposites et les méthodes de leur production à plus grande échelle », explique le Dr Świątkowska-Warkocka.

Fourni par L’Institut Henryk Niewodniczanski de physique nucléaire Académie polonaise des sciences