Лазерные микровзрывы

С помощью микровзрывов, вызванных сверхкороткими лазерными импульсами, можно  синтезировать наноалмазы из этанола и создавать полости в сапфире.

Трудно представить жизнь без света: благодаря ему мы видим окружающий мир, чередование света и темноты необходимо для наших биологических часов, наконец, энергия световых волн нужна для разных биологических процессов (и первейший пример тут – фотосинтез). Многие технологии, в том числе и медицинские, основаны на использовании света: пломбы в зубах твердеют под ультрафиолетовыми лучами, с помощью ультрафиолета же дезинфицируют помещения, а в хирургии свет работает как режущий скальпель – правда, свет не простой, а лазерный.

Лазером называют источник света, который позволяет контролировать характеристики излучения – цвет (т. е. длину волны), форму луча и его интенсивность. Более того, современные лазеры позволяют создавать сверхкороткие импульсы продолжительностью порядка фемтосекунд (10^-15с.)! При таком кратковременном, но сильно сфокусированном воздействии свет и вещество взаимодействуют особым способом: так называемые нелинейные эффекты преобладают над более привычными нам линейными.

Нелинейные эффекты проявляются, например, во взрывах. Да-да, свет может взрывать, но только в очень маленьких масштабах. Электроны при таком взрыве отрываются от своих атомов, и вещество локально превращается в плазу. Плазма – это сильно ионизированный горячий газ, который считается четвёртым агрегатным состоянием вещества. В общем случае она представляет собой высокопроводящую смесь электронов, ионов (атомов, от которых оторваны электроны) и электронейтральных атомов. Все химические связи разорваны, и все частицы вступают в коллективные взаимодействия.

Лоренс Рапп (L. Rapp) и его коллеги из Бургундского университета во Франции провели эксперимент, в котором сапфировую пластинку облучали 140-фемтосекундным лазерным импульсом с длиной волны 800 нм (инфракрасный диапазон). Взаимодействие интенсивного излучения с сапфиром привело к взрывообразному образованию плазмы в том месте, куда попал лазерный луч. Интенсивность процесса была такова, что даже в таком плотном материале как сапфир (а он в 2 раза плотнее стекла!) образовались микропустоты.

При этом оказалось, что тип лазерного луча сильно влияет на эффективность появления пустот. «Нормальные» лазерные лучи называются гауссовыми, то есть интенсивность в них распределяется от центра к краям пучка согласно гауссову распределению. Бывают и другие, более хитрые типы лучей, например, луч Бесселя: он не дифрагирует (то есть не преломляется и не расходится) и обладает способностью к самовосстановлению. Иными словами, если на пути луча поместить непрозрачный объект, то, пройдя через него, луч сохранит форму и интенсивность. Идеальный луч Бесселя недостижим, так как для него нужна бесконечная энергия, но с помощью конусообразной линзы (аксиконуса) или пространственного модулятора света можно получить так называемый луч Бесселя-Гаусса – достаточно хорошее приближение к свойствам луча Бесселя. В данном эксперименте бесселевы характеристики луча сохранялись на протяжении 32 микрон, что достаточно хорошо, учитывая, что толщина сапфировой мишени составляла 100 микрон.

После однократного попадания луча Бесселя в сапфировую пластинку в ней образовывались продолговатые полости; для их обследования образец разрезали с помощью фокусированного ионного пучка (подробнее об ионных пучках и ионной микроскопии можно почитать здесь). Полости соответствовали по форме «бесселевому» фрагменту луча: ширина около 300 нм, длина около 30 микрон. Инспекция полости с помощью сканирующего электронного микроскопа показала, что она имеет гладкие параллельные стенки без видимого «мусора», оставшегося посла микровзрыва. Объём полости – около 2 фемтолитров, что на два порядка превышает объём, получающийся с помощью Гауссова пучка. Чем глубже внутри пластины сфокусирован лазер, тем короче получается полость: наличие «выхлопного отверстия», по-видимому, позволяет создать плазму на более длинном промежутке. Чем дольше длится импульс, тем шире полости, но при этом страдает качество стенок. Сведения о том, как результат взрыва зависит от особенностей луча, очень пригодятся в высокоточной резке и в создании фотонных кристаллов; подробно о результатах экспериментов говорится в статье в Scientific Reports.

Ещё один интересный результат с использованием фемтосекундных лазерных импульсов для создания плазмы получили Чен-Хон Ни (Chen-Hon Nee) и его коллеги из Малайзии и Тайваня – они добились синтеза наноалмазов с размером кристалла меньше 5 нм.

Первоначально наноалмазы были обнаружены в метеоритах, прилетевших из-за пределов Солнечной Системы и сформированных, вероятно, из межзвёздной пыли (впрочем, точный механизм образования таких метеоритов до сих пор является открытым вопросом в астрономии). В наше время существует несколько методов изготовления наноалмазов: взрывы тротила, химическое паровое осаждение, а так же абляция углеродо-содержащих материалов в жидкости (испарение вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения), но они и неэффективны, и слишком трудоёмки.

Малазийские физики подошли к проблеме с другой стороны. Вместо того чтобы делать наноалмазы из разных аллотропов углерода (химически эквивалентных веществ с разной структурой, например, угля, графита и тд), они решили воспроизвести, хотя бы частично, оригинальные условия, в которых сформировались космические наноалмазы – то есть сделать плазму, содержащую атомы углерода (более подробно про аллотропы углерода и самоорганизацию мы рассказывали в статье про наноцветы.)

При интенсивном облучении этанола лазером с длиной волны 1025 нм (инфракрасная часть спектра) импульсом длиной 500 фемтосекунд, как и в случае сапфира, нелинейные эффекты взаимодействия света с этанолом приводят к образованию плазмы внутри луча. В этих условиях молекулы этанола разваливаются на атомы углерода, кислорода и водорода, и атомы углерода складываются в наноалмазы размером до 5 нм (около 1600 атомов углерода). Благодаря саморегулирующемуся характеру нелинейных эффектов условия образования кристаллов «стандартизованы», благодаря чему размеры наноалмазов варьируют слабо. Это значит, что их не нужно отфильтровывать: после облучения достаточно нанести этанол на подложку и высушить его потоком воздуха. Результаты исследования тоже опубликованы в журнале Scientific Reports.

Наноалмазы считаются биосовместимыми и используются в биотехнологиях. Если отжечь полученные кристаллы в определённых условиях, то внутри может оказаться атом азота, и тогда наноалмаз становится очень сильным и стабильным люминофором, поглощающим свет видимого диапазона с переизлучением красного света; его можно использовать для адресной доставки лекарств в нужный орган или клетку и в качестве маркера при диагностике раковых опухолей. Как видим, иногда игры с лазерами, взрывами и драгоценными камнями могут принести весьма полезные результаты.