Partículas compostas com tamanhos submicrônicos podem ser produzidas irradiando uma suspensão de nanopartículas com um feixe de laser. Processos físicos e químicos violentos ocorrem durante a irradiação, muitos dos quais são mal compreendidos até o momento. Experimentos recentemente concluídos, realizados no Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia, lançaram uma nova luz sobre alguns desses quebra-cabeças.
Quando um feixe de laser atinge aglomerados de nanopartículas suspensas em um colóide, ocorrem eventos que são tão dramáticos quanto úteis. O tremendo aumento de temperatura leva à fusão de nanopartículas em uma partícula composta. Uma fina camada de líquido próximo ao material aquecido rapidamente se transforma em vapor, e sequências inteiras de reações químicas ocorrem sob condições físicas que mudam em frações de segundo. Usando esse método, chamado de fusão a laser, cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia não apenas produziram novos nanocompósitos, mas também descreveram alguns dos processos pouco compreendidos responsáveis ​​por sua formação.

"O próprio processo de fusão a laser, que consiste em irradiar partículas de material em suspensão com luz laser não focalizada, é conhecido há anos. É usado principalmente para a produção de materiais monocomponentes. Nós, como uma das duas únicas equipes de pesquisa no mundo, , estão tentando usar essa técnica para produzir partículas submicrônicas compostas. Nesta área, o campo ainda está em sua infância, ainda há muitas incógnitas, daí nossa alegria que alguns quebra-cabeças que nos deixaram perplexos acabaram de ser desvendados ", diz o Dr. Żaneta Świątkowska-Warkocka, professor da IFJ PAN, coautor de um artigo científico publicado recentemente na revista Scientific Reports .

A técnica mais utilizada e ao mesmo tempo mais conhecida para a síntese de nanomateriais usando luz laser é a ablação a laser. Com este método, um alvo macroscópico é imerso em um líquido e então pulsado com um feixe de laser focado. Sob a influência de impactos de fótons, nanopartículas de material são arrancadas do alvo e acabam no líquido, do qual podem ser separadas com bastante facilidade.

No caso da fusão a laser, o material de partida são nanopartículas previamente distribuídas em todo o volume de um líquido, onde são formados seus aglomerados soltos. O feixe de laser utilizado para irradiação desta vez é disperso, mas selecionado de forma a fornecer energia em quantidade suficiente para fundir as nanopartículas. Por meio da fusão a laser, é possível produzir materiais constituídos por partículas que variam de nanômetros a mícrons, de diversas estruturas químicas (metais puros, seus óxidos e carbonetos) e físicas (homogêneas, ligas, compósitos), inclusive aquelas de difícil para produzir com outras técnicas (por exemplo, ligas de ouro-ferro, ouro-cobalto, ouro-níquel).

O tipo de material formado durante a fusão a laser depende de muitos parâmetros. Obviamente, o tamanho e a composição química das nanopartículas iniciais são importantes, assim como a intensidade, eficiência e duração dos pulsos de luz do laser. Os modelos teóricos atuais permitiram aos cientistas da IFJ PAN planejar inicialmente o processo de produção de novos nanocompósitos, mas, na prática, as tentativas nem sempre levaram à criação dos materiais esperados. Obviamente, havia fatores envolvidos que não haviam sido levados em conta nos modelos.

O Dr. Mohammad Sadegh Shakeri, físico da IFJ PAN responsável pela descrição teórica da interação das nanopartículas com a luz do laser, apresenta um dos problemas da seguinte forma:

"Os aglomerados de nanopartículas frouxamente conectadas suspensas no líquido absorvem a energia do feixe de laser, aquecem acima do ponto de fusão e se unem permanentemente, enquanto sofrem transformações químicas maiores ou menores. Nossos modelos teóricos mostram que a temperatura das nanopartículas pode aumentar até quatro mil Kelvin em alguns casos. Infelizmente, não há métodos que possam medir diretamente a temperatura das partículas. No entanto, é a temperatura e suas mudanças que são os fatores mais críticos que afetam a estrutura física e química do material transformado."

Para entender melhor a natureza dos fenômenos que ocorrem durante a fusão a laser, em suas últimas pesquisas, os físicos da IFJ PAN usaram alfa-Fe₂ O₃ nanopartículas de hematita. Eles foram introduzidos em três solventes orgânicos diferentes:álcool etílico, acetato de etila e tolueno. O recipiente com o colóide preparado foi colocado em lavadora ultrassônica, o que garantiu que não houvesse compactação descontrolada de partículas. As amostras foram então irradiadas com pulsos de laser com duração de 10 ns, repetidos a uma frequência de 10 Hz, o que, dependendo da versão do experimento, resultou na formação de partículas com tamanhos que variam de 400 a 600 nanômetros.

Análises detalhadas dos nanocompósitos produzidos permitiram aos pesquisadores do IFJ PAN descobrir como, dependendo dos parâmetros do feixe utilizado, é possível determinar o tamanho crítico das partículas que primeiro começam a mudar sob a influência da luz do laser. Também foi confirmado que partículas maiores de nanocompósitos atingem temperaturas mais baixas, com partículas de hematita de tamanhos próximos a 200 nm aquecidas à temperatura mais alta (estimativas teóricas sugerem aqui o valor de 2320 K). No entanto, os resultados mais interessantes nos experimentos acabaram sendo aqueles relativos a líquidos.

Acima de tudo, foi possível observar uma relação entre a constante dielétrica do líquido e o tamanho das partículas compostas produzidas:quanto menor a constante, maiores eram os aglomerados. As análises também confirmaram a suposição de que uma fina camada de líquido perto de uma nanopartícula aquecida sofre rápida decomposição durante muitas reações químicas. Como essas reações ocorrem em diferentes líquidos de maneira diferente, os materiais resultantes também diferem em estrutura e composição química. As partículas produzidas em acetato de etila consistiram de uma magnetita praticamente uniforme, enquanto um compósito magnetita-wustita foi formado em álcool etílico.

"O papel dos líquidos na produção de nanocompósitos por fusão a laser acaba sendo mais importante do que se pensava anteriormente. Ainda sabemos muito pouco sobre muitas coisas. Felizmente, nossos resultados atuais sugerem quais devem ser as próximas direções de pesquisa. O objetivo final é obter total conhecimento sobre os processos que ocorrem no colóide e construir modelos teóricos que permitiriam o projeto preciso das propriedades dos nanocompósitos e métodos de sua produção em maior escala", diz o Dr. Świątkowska-Warkocka. + Explorar mais

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