Лазерный луч управляемо меняет свойства поверхности

Физики из Научного центра волновых исследований Института общей физики РАН им. А. М. Прохорова разработали новый метод наноструктурирования поверхности металлов и получения металлических наночастиц. 

Группа под руководством доктора физико-математических наук Георгия Шафеева предложила использовать для этих целей так называемую лазерную абляцию -- удаление материала под воздействием лазерного луча. При этом процедуру проводят не на воздухе, а в различных жидкостях.

Чтобы на поверхности металла образовались наноструктуры, на нее направляют луч мощного лазера. Если лазер направить на металл на воздухе, то поверхность окисляется и распыляется, часть вещества просто сгорает, а поверхность вещества загрязняется оксидами. Если же направлять лазерный луч на металл в жидкости, то распыление мишени происходит в жидкость. Кроме того, поверхность не окисляется и вообще ее свойства получаются совсем другими.

Синее золото и желтый алюминий

Изучение обработанных вторым способом поверхностей под атомно-силовым микроскопом показывает, что на них образуются грибообразные выступы размером порядка 100 нанометров. Так как размер их сопоставим с длиной световых волн видимого спектра, выступы совсем по-другому поглощают видимый свет. А значит, и окрашиваются структурированные поверхности иначе.

Так, например, при облучении дюралюминия пятипикосекундными импульсами с длиной волны 248 нанометров в воде сплав приобретает золотисто-желтую окраску. Примерно такую же окраску получает и серебро после лазерной абляции в воде 350-пикосекундными импульсами длиной волны 1,06 микрометра.

Исследователи выяснили, что подобным методом можно получить наноструктуры на всех металлах (в том числе и таких тугоплавких, как вольфрам и титан). В лаборатории под луч лазера помещались золото, серебро, титан, никель, кремний, медь, палладий, гольмий, тербий, а также селенид цинка и сульфид кадмия. Жидкости тоже варьировались: к примеру, использовали воду и традиционные органические растворители -- ацетон, этанол, тетрагидрофуран.

Можно получать лазерной абляцией и раствор наночастиц металлов в жидкостях. При этом можно облучать как взвесь более крупных частиц, так и металлическую пластинку. В результате получаются растворы наночастиц самых разных цветов.

Нецветное применение

Впрочем, главное отличие этих наночастиц, конечно, не цвет, а чистота. Если получать наночастицы химическими методами синтеза, то их раствор будет содержать примеси посторонних ионов. Раствор же наночастиц, полученный абляцией в жидкостях при помощи лазера, не содержит посторонних ионов, что открывает возможность использования метода в медицине и биологии.

Что же касается наноструктурированных поверхностей металлов, их применение тоже оказывается разнообразным. К примеру, они эффективно усиливают электромагнитное поле. Эффект можно использовать для изготовления различных сенсоров, способных отследить малые примеси металлов в различных средах.

Кроме того, биологические клетки «охотнее» развиваются именно на наноструктурированных поверхностях. Следовательно, наноструктурирование медицинских сплавов титана или тантала может с успехом использоваться в протезировании. Использование же в этих целях лазерной абляции позволит получать наноструктуры с высокой степенью контроля и «подгонять» их под клетки, при этом сохранив химическую чистоту поверхности.