ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОДНЫХ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОМ ПРОБОЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОДНЫХ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОМ ПРОБОЕ

Баймлер И.В., Симакин А.В., Гудков С.В.

Институт общей физики им. Прохорова РАН, Москва, Россия [email protected]

Известно, что при оптическом пробое воды происходит образование плазмы, в жидкости распространяются ударные волны, наблюдается формирование кавитационных пузырей, происходит интенсивное химическое изменение самой среды [1, 2]. Было установлено, что пороговая интенсивность лазерного излучения, необходимая для оптического пробоя воды существенно снижается при добавлении наночастиц (НЧ), особенно частиц металлов [3]. В настоящей работе исследовано влияние концентрации наночастиц, их формы, размера, материала и степени окисленности на индуцированные оптическим пробоем физико-химические свойства плазмы (пространственное и временное распределение, оптические характеристики), процессы генерации акустических колебаний, динамики развития кавитационных пузырей, генерации гидроксильных радикалов, молекулярного водорода, кислорода, перекиси водорода [4]. Обнаружено, что концентрация наночастиц определяет, насколько интенсивно будет происходить лазерный пробой водных коллоидных растворов наночастиц. Наибольшая интенсивность свечения плазмы, акустических сигналов и скорость диссоциации молекул воды и образования новых химических продуктов наблюдается при концентрации наночастиц 1010 НЧ/мл при облучении коллоидов наносекундым импульсным лазерным излучением на длине волны 1064 нм. Исследование временных разверток изображений плазмы при помощи высокоскоростной камеры показывает, что скорость движения стенки кавитационной полости в момент оптического пробоя имеет предельное значение 15000 м/с. Кавитационные пузыри с плазмой при этом воздействует друг на друга посредством ударных волн. Установлено, что светимость плазмы в наибольшей степени коррелирует с процессами генерации пероксида водорода и гидроксильных радикалов, а интенсивность акустических сигналов в большей степени скоррелирована со скоростью образования молекулярных кислорода и водорода. Показано, что интенсивность указанных процессов, наблюдаемых при оптическом пробое коллоидных растворов наночастиц, зависит от материала и размеров наночастиц. Физико-химические процессы, наблюдаемые при оптическом пробое коллоидов также подвержены влиянию растворенных в коллоиде газов.

[1] Vogel, A., Lauterborn, W., & Timm, R. Optical and acoustic investigations of the dynamics of laser-produced cavitation bubbles near a solid boundary. Journal of Fluid Mechanics, 206, 299-338. (1989)

[2] Bruggeman, P. J. et al. Plasma-liquid interactions: a review and roadmap. Plasma sources science and technology, 25(5), 053002. (2016)

[3] Kennedy, P. K., Hammer, D. X., & Rockwell, B. A. Laser-induced breakdown in aqueous media. Progress in quantum electronics, 21(3), 155-248. (1997)

[4] Baimler, I. V., Simakin, A. V, & Gudkov, S. V. Investigation of the laser-induced breakdown plasma, acoustic vibrations and dissociation processes of water molecules caused by laser breakdown of colloidal solutions containing Ni nanoparticles. Plasma Sources Science and Technology, 30(12), 125015. (2021)