Il termine "ablazione" si riferisce alla "vaporizzazione" indotta, sotto forma di plasma, di un materiale solido. Il processo è caratterizzato dal complesso meccanismo di interazione che si genera per effetto della focalizzazione di un fascio laser ad alta potenza sulla superficie del materiale stesso. La generazione ed espansione del plasma in liquido comporta la formazione di un'onda d'urto prima e di una bolla di cavitazione poi. Questa bolla, la cui espansione è limitata dal liquido circostante, viene confinata e compressa fino a collassare e oscillare con formazione di nuove bolle di cavitazione che, smorzandosi, provocano, principalmente, fenomeni ripetuti di coalescenza delle specie "vaporizzate" che danno così origine a soluzioni colloidali di Nanoparticelle (NPs) del materiale ablato. Le NPs, che sono cariche negativamente, presentano elevata stabilità anche in assenza di tensioattivi e spesso possono presentare strati superficiali (corona - core shell) di ossidi o di altri componenti che compongono il solvente o che sono stati preventivamente portati in soluzione. I parametri che controllano il processo sono collegati sia al laser impulsato utilizzato (es. durata di impulso) che al tipo di liquido, o tipo di soluzione, con cui le specie prodotte dopo le fasi di collasso della bolla di cavitazione possono continuare a reagire.
Le attività sono svolte anche in collaborazione con il Laboratorio di Chimica Fisica Laser dell'Università degli Studi della Basilicata che arricchisce l'offerta con altri apparati sperimentali e tecniche di caratterizzazione dei materiali ottenuti (es. HR-TEM).
SPECIFICHE TECNICHE
- Spectra Physics Ti:Sa “fs” Laser
Spitfire Pro - Regenerative Amplifier (120 fs; 1kHz; 4 mJ @ 800 nm; SH: 1.5 mJ @ 400 nm) - Quanta System Nd:YAG “ns” Laser
Prototipo (7 ns; 10 Hz; 100 mJ @ 532 nm) - Shadowgraphy risolta in tempo
- Andor iStar “Inductively Charge Couple Device – ICCD” camera (t ≥ 2 ns; Intervallo spettrale = 250-900 nm, Pixeldim = 13 μm x 13 μm)
TECNICHE DISPONIBILI
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Produzione di soluzioni colloidali di nanoparticelle
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Determinazione della dinamica di espansione delle bolle di cavitazione e delle onde d'urto indotte dal processo tramite tecniche di shadowgraphy
CAMPIONI
- Campioni piani con dimensione laterale 10 mm x 10 mm (minima) e 15 mm x 25 mm (massima); spessore 15 mm (massima).
UTILIZZATO PER
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Catalizzatori
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Biosensori
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Sensori colorimetrici
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Applicazioni biomedicali
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Optoelettronica
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Nanocompositi
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Reticoli di diffrazione
ESEMPI APPLICATIVI
Generazione di Nanodiamanti
Le alte temperature (alcune migliaia di K) e le alte pressioni (alcuni GPa) che entrano in gioco durante il collasso delle bolle di cavitazione possono favorire, nel processo di condensazione delle specie ablate, la formazione di loro fasi metastabili. Un esempio riguarda la possibilità di generare nanodiamanti tramite semplice ablazione con impulsi laser al fs di grafite in acqua. Tuttavia, in questo caso, le proprietà delle nanoparticelle prodotte cambiano in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi utilizzati passando, come mostrato con la spettroscopia Raman, da nanoparticelle di diamond-like carbon (DLC), con frequenza di ripetizione 10-100 Hz, a nanodiamanti quando la frequenza di ripetizione del laser è 1 kHz.
Si veda: Antonio, Santagata et al. J. Phys. Chem. C 115, 5160 (2011)
DOI: 10:1021/jp1094239
Formazione di microtubi per autoassemblaggio di NPs
L'ablazione con impulsi laser al fs di Ti in acqua, porta alla formazione di specie con diversi stati di ossidazione del metallo con la copresenza di NPs di Ti2O3, TiO2 e TiOH e specie cristalline riconducibili al rutilo (TiO2). Anche se le loro dimensioni sono comprese nell'intervallo di 5-100 nm la prevalenza di NPs hanno diametro tra i 5-10 nm. La peculiarità del processo di ablazione indotto da impulsi laser al fs è però caratterizzato dalla presenza di lamelle nanoscopiche che assieme alle NPs danno origine, dopo alcuni giorni di permanenza in soluzione alla formazione di nanofilamenti di lunghezza e spessore rispettivamente di decine e alcuni nanometri. Dalla permanenza di queste nanostrutture in soluzione (e.g. > 7 giorni) si ha, per la presenza delle specie TiOH e la chimica indotta in soluzione dal processo di LAL, la formazione spontanea di microtubi sui quali coalescono le NPs. Questi microtubi hanno lunghezza e diametro della parete interna rispettivamente di alcuni mm e di 2μm.
Si veda: Angela, De Bonis et al. Surf. Coat. Tech. 207, 279 (2012)
DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.084
Silver-silica core-shells preparati per ablazione laser in liquido di un target di Argento immerso in soluzioni colloidali di silice mesoporosa
Alcuni materiali nanocompositi di silice mesoporosa ordinati esagonalmente, MCM-41 ed SBA-15, sono stati sintetizzati sia per sintesi chimica che per ablazione laser in liquido e funzionalizzati con nanoparticelle di Ag. I risultanti materiali preparati (Ag/SBA-15 e Ag/MCM-41) presentano sulla loro superficie una quantità significativa di nanoparticelle di Argento (AgNPs) di dimensioni tra 5-50 nm. Il processo di ablazione laser non ha causato un danneggiamento significativo della struttura mesoporosa di SBA-15 e sono state principalmente generate nanoparticelle di argento metallico (Ag0). Inoltre, tramite l'ablazione laser di un target di Ag immerso in una soluzione colloidale statica di silice mesoporosa di tipo MCM-41 o SBA-15, è stata anche dimostrata la formazione di Silver-silica core-shells (Ag@SBA-15 e Ag@MCM-41). I risultati ottenuti ci hanno permesso di dimostrare, inoltre, che la scelta della silice mesoporosa di partenza influenza lo spessore del core-shell di silice oltre che la distribuzione dimensionale delle nanoparticelle di Ag prodotte.
Si veda:
- Ágnes, Szegedi, et al., Appl. Phys. A 117, 55 (2014) DOI: 10.1007/s00339-014-8499-8
- Antonio, Santagata, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 48, 205304 (2015)
- DOI: 10.1088/0022-3727/48/20/205304
Contatto: Ambra Guarnaccio -
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