Хотя предыдущие исследования показали, что металлические наночастицы обладают свойствами, полезными для различных биомедицинских применений, остается много загадок относительно того, как образуются эти крошечные материалы, включая процессы, которые вызывают изменения размера. Чтобы взломать этот случай, команда ученых обратилась к вычислительной тактике уничтожения.

Во главе с Леонидом Жигилеем из Университета Вирджинии (UVA) команда использовала суперкомпьютер Titan с 27 петафлопами Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) для моделирования взаимодействий между короткими лазерными импульсами и металлическими целями на атомном уровне. Этот процесс, известный как лазерная абляция , включает облучение металлов лазерным лучомдля выборочного удаления слоев материала, который изменяет структуру поверхности или морфологию мишени и генерирует наночастицы.

В рамках более широкого исследования взаимосвязи между лазерной абляцией и генерацией наночастиц команда Жигилея потратила на вычислительные часы, заработанные в рамках программы «Новаторское и новое вычислительное воздействие на теорию и эксперимент» (INCITE), на исследование механизмов, ответственных за формирование двух различных популяций наночастиц. Этот проект был сосредоточен исключительно на том, как эти процессы проявляются в жидких средах, основываясь на предыдущих исследованиях, которые изучали их в вакууме.

Чтобы подтвердить свои выводы, ученые UVA сотрудничали с исследовательской группой из Университета Дуйсбург-Эссен, Германия. В 2018 году их результаты были опубликованы в наномасштабе ; на задней обложке журнала было показано изображение лазерной абляции ученого-компьютерщика OLCF Бенджамина Эрнандеса, созданного с помощью SIGHT — настраиваемого инструмента визуализации, который он разработал. OLCF — это научно-исследовательский центр Министерства науки США (DOE), расположенный в Национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL) Министерства энергетики США.

Следуя виртуальным подсказкам

Чтобы провести различие между источниками наночастиц, отнесенных к категории малых (менее 10 нанометров) и больших (10 или более нанометров), группа провела серию молекулярно-динамических симуляций на Титане, которые моделировали серебряные и золотые мишени в воде, облучаемой лазерной абляцией.

«Эти металлы стабильны, инертны и не реагируют активно с окружающей средой», — сказал Жигилей. «Кроме того, серебро обладает полезными антибактериальными свойствами».

Результаты моделирования показали, что мелкие наночастицы с большей вероятностью образуются в результате конденсации паров металла, быстро охлажденных благодаря его взаимодействию с водяным паром, тогда как крупные могут появляться при гидродинамических неустойчивостях, которые представляют собой нестабильные потоки одной жидкости через другую жидкость другой плотности вызвать распад металла.

Во время абляции лазерные импульсы перегревают часть поверхности металлической мишени, приводя к взрывному разложению этой области в смесь пара и небольших капель жидкости. Эта горячая смесь затем выбрасывается из облученной мишени, образуя так называемый абляционный шлейф. Этот феномен, известный как фазовый взрыв или «взрывное кипение», широко изучался для лазерной абляции в вакууме.

Однако, когда в жидкой среде происходит абляция, взаимодействие абляционного шлейфа с окружающей водой усложняет процесс, замедляя абляционный шлейф, что приводит к образованию слоя горячего металла, толкающего воду.

Это динамическое взаимодействие может вызвать быструю последовательность гидродинамических неустойчивостей в слое расплавленного металла, вызывая его частичную или полную дезинтеграцию и образование крупных наночастиц. Хорошо известный предмет новизны иллюстрирует это поведение.

«Когда вы впервые включаете лавовую лампу, тяжелая жидкость располагается поверх легкой жидкости, но затем она начинает течь под действием гравитационного ускорения и создает некоторые интересные модели потока и образования частиц», — сказал Жигилей. «Нечто подобное происходит с лазерной абляцией — тяжелый слой горячего металла быстро замедляется водой, что приводит к гидродинамической нестабильности на границе раздела металл-вода, которая генерирует большие наночастицы».

Команда наблюдала движения отдельных атомов, чтобы экстраполировать полезную информацию, касающуюся обоих путей к генерации наночастиц.

«Нам пришлось быстро поворачиваться от атомов в масштабе менее одного нанометра к сотням нанометров, что требовало решения уравнений для сотен миллионов атомов в наших моделях», — сказал Жигилей. «Такая работа возможна только на больших суперкомпьютерах, таких как Titan».

Оба процесса, которые приводят к образованию наночастиц, происходят в переходной «реакционной камере», известной как кавитационный пузырь, который возникает в результате взаимодействия горячего струи абляции и жидкой среды. Изучая время жизни пузыря от начала до конца, ученые могут определить, какие типы наночастиц появляются на определенных этапах.

«Облучение металлической мишени в воде лазерными импульсами создает горячую среду, которая приводит к образованию, расширению и разрушению большого пузыря, подобного тем, которые создаются при обычном кипении», — сказал Жигилей. «Любой процесс генерации наночастиц происходит либо внутри пузырька, либо на границе раздела между абляционным шлейфом и поверхностью пузырька».

Дополнительные эксперименты по визуализации, проведенные в Центре наноинтеграции в Дуйсбурге-Эссене (CENIDE), подтвердили результаты вычислений команды, обнаружив существование меньших микропузырьков, содержащих наночастицы, которые образовались вокруг основного кавитационного пузыря.

Исследователи CENIDE также сняли видеоролики, демонстрирующие производство наночастиц золота и демонстрирующие золотую мишень, погруженную в камеру жидкой абляции.

План улучшения

Ученые традиционно полагались на методы синтеза для эффективного производства наночастиц посредством последовательности химических реакций. Хотя этот процесс позволяет точно контролировать размер наночастиц, химическое загрязнение может помешать нормальному функционированию полученных материалов. Лазерная абляция позволяет избежать этой ловушки, генерируя превосходные чистые наночастицы, одновременно тонко формуя металл в более подходящие конфигурации.

«Лазерная абляция создает абсолютно чистый коллоидный раствор наночастиц без использования каких-либо других химических веществ, и эти первозданные материалы идеально подходят для биомедицинских применений», — сказал Жигилей. «Результаты наших расчетов могут помочь увеличить масштабы этого процесса и повысить производительность, чтобы абляция могла в конечном итоге конкурировать с химическим синтезом с точки зрения количества производимых наночастиц».

Поиск источника несоответствия размеров прокладывает путь в будущее, где исследователи могут оптимизировать лазерную абляцию для контроля размера чистых наночастиц, делая их более дешевыми и более доступными для потенциальных биомедицинских целей, таких как избирательное уничтожение раковых клеток.

Это достижение также иллюстрирует преимущества лазерной технологии, одновременно предпринимая шаги по раскрытию фундаментальных факторов, которые влияют на результаты взаимодействия между лазерным импульсом и металлом. Эти знания могут привести к значительным успехам в исследовании команды наночастиц, а также к достижениям в области лазерной абляции и связанных с ними методов, которые, в свою очередь, позволят более точно интерпретировать существующие данные.

Чэн-Ю Ши, ведущий автор статьи о наноразмерных масштабах и недавний выпускник UVA, в настоящее время работает над объединением моделирования с экспериментальными исследованиями для дальнейшего изучения того, как различные металлы генерируют наночастицы в ответ на лазерную абляцию .

Жигилей надеется, что исследование приведет к прорыву, который устранит необходимость в утомительной задаче сортировки мелких и крупных наночастиц .