Микро- и наноструктурирование композитных материалов импульсным лазерным излучением

Диссертационная работа посвящена разработке новых подходов к синтезу и модификации функциональных микро- и наноматериалов с использованием импульсного лазерного излучения. Предлагаемые технологии позволяют осуществлять синтез коллоидов биметаллических наночастиц, синтез нанесенных гетерогенных катализаторов, микроструктурирование труднообрабатываемых оптически прозрачных материалов, а также обесцвечивание коллоидов пигментированных наночастиц. С момента создания рубинового лазера в 1960 году и до сегодняшних дней непрерывно осуществляется широкое внедрение и совершенствование лазерных технологий во многих сферах. Благодаря уникальным свойствам лазеров, главными из которых являются узкая направленность, монохроматичность и когерентность испускаемого излучения, удается достичь высокой пространственной и временной фокусировки энергии. При взаимодействии излучения высокой плотности энергии с веществом индуцируются различные физико-химические и даже ядерные процессы, что открывает доступ к новым технологиям в области синтеза и обработки различных структур и материалов, включая синтез наночастиц и наноматериалов различной природы. В работе методом лазерной абляции в среде сверхкритического диоксида углерода были получены золотосеребряные наночастицы в конфигурациях типа сплав и ядро-оболочка диаметром 5-40 нм. Такие частицы могут используются в катализе различных реакций, чувствительных SERS детекторах, оптических системах с изменяемым показателем преломления. Широкий спектр применения обуславливается наличием у таких частиц эффекта плазмонного резонанса, который сильно зависит от структуры и состава. Было продемонстрировано, что морфологией составных частиц можно управлять путем изменения геометрических параметров экспериментальной установки. С использованием аналогичного подхода, методом лазерной абляции в присутствии сверхкритического диоксида углерода были синтезированы чистые нанесенные гетерогенные катализаторы на основе микрочастиц палладия и пористого носителя из частиц сапфира. Полученные катализаторы проявили сравнительно высокую активность в реакции гидрирования тройной связи молекулы дефинилацетилена с параметром TOF~2 с-1. Другим крайне важным аспектом, обуславливающим применение подобного класса катализаторов, является их химическая чистота. Использование в процессе синтеза только нетоксичного диоксида углерода, в качестве среды, в которой протекает абляция, делает данный параметр чрезвычайно высоким и недостижимым для подобного класса катализаторов, получаемых химическим способом. В то время как лазерная абляция предполагает прямое воздействие сфокусированного излучения на вещество, существуют способы лазерной обработки материалов, при которых энергия излучения передается поэтапно, через промежуточную среду. Одной из таких технологий является лазерно-индуцированное жидкостное травление с обратной стороны, называемое в англоязычной литературе laser-induced backside wet etching (LIBWE). Одной из перспективных модификаций LIBWE является так называемое термоплазмонное LIBWE, в котором в качестве рабочей среды используются водные растворы прекурсоров металлов, в частности, меди или серебра (CuSO4 или AgNO3). Поглощение лазерного излучения на интерфейсе жидкость/твердое тело в такой системе обеспечивается плазмонными наночастицами металлов, которые образуются в зоне сфокусированного лазерного излучения. С помощью термоплазмонного LIBWE осуществляется микроструктурирование таких трудных для обработки материалов, как сапфир и алмаз, со сравнительно высоким качеством поверхности и скоростями до нескольких мкм/с. В рамках работ по развитию оригинального метода термоплазмонного LIBWE с использованием водного раствора прекурсора серебряных наночастиц AgNO3, была всесторонне изучена инкубационная стадия данного процесса. По результатам акустических измерений, скоростной видеосъемки, данных по поглощению лазерного излучения в процессе травления, а также анализа СЭМ изображений обработанных образцов была предложена четырехстадийная модель начального процесса термоплазмонного LIBWE. Кроме того, были определены оптимальные параметры лазерного воздействия с точки зрения эффективности и качества формируемых структур. В заключительной части работы представлено исследование влияния многоимпульсных режимов лазерного воздействия на эффективность обесцвечивания пигментированных наночастицами коллоидных систем. Такие системы могут встречаться в лазерной технике в классе так называемых «случайных лазеров», для которых обеспечение стабильности компонентов активной среды играет важную роль. Также подобные системы могут имитировать кожные фантомы с пигментированными частицами. Известно, что в большинстве медицинских процедур по лазерному удалению пигментов используется одноимпульсный режим лазерного воздействия. В данном исследовании было продемонстрированно, что при воздействии серией из 100 лазерных импульсов на пигментированный коллоид наночастиц TiO2 происходит уменьшение пороговой плотности энергии обесцвечивания по сравнению с одноимпульсным режимом с 0.25 до 0.05 Дж/см2, а максимально регистрируемая степень просветления увеличивается до 2 раз.