فرسایش لیزر پالسی فوق کوتاه در مایعات: بررسی اولین نانوثانیه های انفجار فاز زیر آب

خلاصه

میکروسکوپ پمپ-کاوشگر فوق سریع نور جدیدی را بر دینامیک پیچیده تبدیل فاز انفجاری ناشی از لیزر روشن کرده است و اهمیت ادغام نزدیک تلاش‌های تجربی، محاسباتی و نظری را برجسته کرده است.

فرسایش لیزر پالس اولتراکوتاه در مایعات یک پدیده با اهمیت عملی بالا است، با کاربردهای مختلف از نانوساختار سطح1 تا سنتز نانوذرات کلوئیدی تمیز شیمیایی با تقاضای بالا در زمینه‌های زیست پزشکی و کاتالیز. با این حال، علیرغم ارتباط عملی، درک اساسی از فرسایش لیزر در مایعات هنوز کامل نشده است. پیشرفت نسبتاً آهسته در این زمینه تا حد زیادی به ماهیت بسیار غیرتعادلی و ذاتاً چند مقیاسی فرآیندهای مسئول حذف مواد از هدف تابش‌شده و تبدیل آن به محلول کلوئیدی نانوذرات مربوط می‌شود. فرسایش لیزری در هوا یا خلاء در حال حاضر یک پدیده پیچیده است که شامل تحریک الکترونیکی قوی، توزیع مجدد انرژی در حالت برانگیخته الکترونیکی، تعادل الکترون-فونون، گرمایش و ذوب سریع، تغییر شکل مکانیکی فوق سریع و پوسته پوسته شدن فوتومکانیکی، گرمایش فوق العاده مواد مذاب است. و تجزیه انفجاری آن ("انفجار فاز") به قطرات بخار و مایع 4. وجود یک محیط مایع به طور قابل توجهی به پیچیدگی پدیده فرسایش می‌افزاید، زیرا محصولات داغ تجزیه فاز انفجاری به صورت دینامیکی با مایع تعامل می‌کنند و باعث تشکیل و گسترش حباب کاویتاسیون می‌شوند.

تصویربرداری از حباب‌های کاویتاسیون، که معمولاً با سایه نگاری با زمان تفکیک شده ۵،۶، همراه با پراکندگی لیزری ۷، یا کاوشگر اشعه ایکس ۸،۹ از فضای داخلی حباب‌های کاویتاسیون انجام می‌شود، اطلاعات ارزشمندی در مورد انبساط و فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون ارائه کرده است. و همچنین تکامل اندازه و بلورینگی نانوذرات. با این حال، مرحله اولیه فرآیند فرسایش در منشاء ظهور حباب کاویتاسیون و نانوذرات، تا حد زیادی برای کاوش تجربی درجا دور از دسترس باقی مانده است. در مطالعات ابلیشن لیزری در خلاء یا هوا، تصویربرداری کاوشگر پمپ نوری از بازتاب سطحی در آشکارسازی دگرگونی‌های فاز مرتبط با تغییرات بازتابی بزرگ یا تولید ساختارهای گذرا که علائم تداخل نوری مشخصی را تولید می‌کنند، مانند حلقه‌های نیوتن 10،11 موفق بوده است. با این حال، پیچیدگی اضافی فرسایش در مایعات، چالش مهمی برای تفسیر تغییرات چند مرحله‌ای سیگنال بازتابی ایجاد می‌کند.

در مطالعه اخیر در مورد حذف لیزری طلا در آب گزارش شده توسط Spellauge و همکاران 12، چالش تفسیر نتایج تصویربرداری نوری با تفکیک زمانی و مکانی با ایجاد پیوندهای مستقیم با پیش‌بینی‌های مدل‌سازی اتمی در مقیاس بزرگ، برطرف شد. ,13,14,15. Spellauge و همکاران با استفاده از اندازه‌گیری‌های بازتابی حل‌شده با زمان انجام شده در تمام مقیاس‌های زمانی مرتبط. قادر به بازسازی یک تصویر دینامیکی کامل از فرآیند فرسایش، از تحریک الکترونیکی و تزریق الکترون‌ها به محیط آب در اولین پیکوثانیه‌های پس از تحریک، تا برهم‌کنش دینامیکی ستون فرسایشی با آب و ظهور حباب کاویتاسیون هستند. در مقیاس زمانی نانوثانیه، و به انبساط و فروپاشی حباب کاویتاسیون در مقیاس ده‌ها میکروثانیه. اندازه‌گیری‌ها با پیش‌بینی‌های محاسباتی تجزیه فاز انفجاری یک منطقه سطحی از هدف تابیده شده، کاهش سریع ستون فرسایشی توسط محیط آب، تجمع یک لایه فلزی داغ در فصل مشترک ستون-آب، و تشکیل سازگاری دارند. نانوذرات در منطقه اختلاط توده آب 13. تأیید تجربی شکل‌گیری سریع نانوذرات در فصل مشترک توده-آب در اولین نانوثانیه‌های فرآیند فرسایش به‌ویژه قابل توجه است، زیرا برخلاف فرض رایج تشکیل نانوذرات در مرحله بسیار بعدی، در داخل حباب کاویتاسیون در حال گسترش است.

با این حال، تفسیر اندازه‌گیری‌های بازتابی به دور از ساده‌بودن است و شامل تعدادی فرضیه است که هنوز باید در آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های هدفمند آینده تأیید شوند. توصیف نظری خواص نوری گذرا ماده‌ای که در حال تغییر فاز بسیار غیرتعادلی است چالش برانگیز است و توسعه روش‌های محاسباتی پیشرفته را می‌طلبد. علاوه بر این، تصویربرداری نوری با تفکیک زمانی تنها نقشه‌های دوبعدی (2 بعدی) از فرآیند فرسایش سه بعدی (3D) را ارائه می‌کند. تغییر چگالی مواد، دما و حالت فاز در جهت عادی به سطح تابیده شده در شکل 1 با مجموعه ای از عکس های فوری از شبیه سازی های اتمی در مقیاس بزرگ از فرسایش لیزری یک هدف آلیاژی FeNi تابش شده توسط لیزر 10 اینچی نشان داده شده است.