Использование ансамблей коллоидных микрочастиц при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00322

НазваниеИспользование ансамблей коллоидных микрочастиц при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами.

Руководитель Битюрин Никита Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова Фемтосекундные лазерные импульсы, взаимодействие излучения с веществом, диэлектрические микросферы, фотонные наноструи, фотонные споты, нелинейное поглощение, оптический пробой, лазерное наноструктурирование, лазерная абляция, усиленное рамановское рассеяние (SERS), лазерный свеллинг, карбонизация, углеродные наночастицы (c-dots), лазероиндуцированные пузырьки, лазерная акустика

Код ГРНТИ29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При воздействии лазерного излучения на диэлектрические микрочастицы в ближней окрестности этих микрочастиц образуются фотонные наносгустки, фотонные наноструи, которые иногда называются наноджетами (photonic nanojets) или фотонные наноспоты (photonics nanospots), позволяющие локализовать лазерное воздействие инфракрасного лазерного излучения и его первых гармоник на масштабах порядка 100нм, то есть существенно меньше длины волны. Эти микрочастицы сравнительно дешевы, имеют хорошее оптическое качество и коммерчески доступны. Они получаются и распространяются в виде водных коллоидных растворов, поэтому часто их называют коллоидными частицами. Таким образом, для научных исследований и для использования в современных нанотехнологиях мы имеем высококачественные дешевые ближнепольные линзы. В проекте речь идет об ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) лазерных импульсах. В фотонных сгустках, о которых идет речь, можно управлять временными и спектральными параметрами фемтосекундного импульса, создавать парные, в том числе двуцветные последовательности импульсов, а также управлять пространственной структурой электромагнитного поля, в частности, аспектным отношением фотонной наноструи с помощью изменения длины волны, коэффициентов преломления микрочастицы и среды, а также окружения данной микролинзы. Монослой микрочастиц, нанесенный на твердую поверхность из коллоидного раствора, используется для наноструктурирования поверхности сразу на большой площади. Различным аспектам воздействия лазерного излучения на вещество, опосредованное отдельными коллоидными микрочастицами, а также их ансамблями, посвящено большое число публикаций. Причем значительное число этих публикаций принадлежит авторам данного проекта. Тем не менее в этой области еще остаются белые пятна. Результатом локального воздействия сильно сфокусированного коллоидными частицами лазерного излучения на поверхность твердого тела в зависимости от режимов воздействия может быть химическая модификация вещества в области облучения, лазерная абляция, то есть вынос вещества и возникновение абляционных кратеров, а также возникновение выпуклости поверхности, лазерный свеллинг. В проекте предлагается изучение особенностей всех этих явлений. В современных технологиях гибкой электроники существует проблема оптической печати люминесцентных микро- и нано- структур непосредственно в полимерных матрицах. Есть подход, развиваемый, в частности, авторами проекта, при котором в матрицу вводятся специальные соединения, прекурсоры, которые, при воздействии лазерного излучения в результате химических реакций и процесса самоорганизации дают начало росту люминесцирующих наночастиц, например, сульфата кадмия. В данном проекте будет изучаться карбонизация полимерных матриц без прекурсоров в поле фемтосекундных фотонных наноструй и наноспотов. Целью здесь является путем оптимизации локализации лазерного воздействия и его спектрального состав (использование гармоник и многоцветных импульсов) получить углеродные люминесцирующие нанострукутры (c-dots) непосредственно в полимерной матрице. Отмерим, что наша группа была первой, которая применила двухцветные фемтосекундные импульсы для воздействия на вещество через слой коллоидных микрочастиц. В проекте планируется также исследовать влияние перечисленных параметров фотонных сгустков, генерируемых микрочастицами, на абляцию (кратеры) и свеллинг (выпуклости). Диэлектрические коллоидные микрочастицы являются концентраторами энергии лазерного излучения, поэтому они могут наряду с плазмонными частицами использоваться в приложениях типа SERS (Surface Enhanced Raman Scattering), усиленное поверхностью рамановское рассеяние. В рамках проекта мы предлагаем подход, когда контейнерами для водных растворов исследуемых соединений являются абляционные кратеры, полученные с помощью фотонных наноджетов. Идея здесь заключается в том, что если мы нанесем такие же микрошарики, которые использовались для лазерной абляции на места локализации кратеров, заполненных водным раствором исследуемого соединения, то при изучении рамановского рассеяния энергия лазерного излучения будет локализована непосредственно в исследуемом веществе, что существенно повысит эффективность процесса рамановского рассеяния, когда все молекулы исследуемого соединения будут находиться в сильном поле. При этом предполагается, что форма кратера примерно соответствует форме фотонного наноджета. Важной особенностью данного подхода является то, что для анализа рамановского рассеяния здесь необходимо очень малое количество анализируемого вещества. В монослое микрошариков, нанесенном на поверхность твердого тела, и представляющего собой плотнейшую упаковку, каждый шарик представляет собой микролинзу. Однако каждая из этих линз фокусирует лазерное излучение не так, как отдельный микрошарик. Между микролинзами существует взаимодействие. Соседи в основном уменьшают эффект фокусировки. Это значит, что в дефектах структуры плотнейшей упаковки микролинзы будут иметь меньшее влияние со стороны соседей, то есть, при воздействии лазерного излучения порог абляции для краевых шариков будет меньше, чем для внутренних шариков. Появляется возможность, используя лазерное излучение с интенсивностью меньшей чем порог абляции для внутренних шариков, получать абляционные структуры, определяемые границами дефектов структуры. Этот эффект будет подробно исследован как теоретически, так и экспериментально. В отличие от лазерной абляции, структуры, получающиеся с помощью свеллинга, не являются широко востребованными, возможно, из-за их плохого качества. В проекте предполагается сделать шаг вперед в этом направлении. В проекте предлагается исследовать динамику механических напряжений в веществе и возможность управлять структурой свеллинга, а значит и качеством получающихся структур с помощью управления параметрами фотонной наноструи. В высокоинтенсивных оптических полях возможен оптической пробой и формирование электронной плазмы большой плотности за счет фотоионизации среды. Релаксация плазмы приводит к локальному импульсному разогреву среды. Если микрочастица находится в жидкости, то непосредственно в области пробоя образуется пузырек. Важным обстоятельством является то, что в отличии от оптического пробоя в среде вызванного лазерным импульсом сфокусированным линзой, положение пузырька в пространстве в случае пробоя в области фокусировки микрошариком фиксируется существенно более точно. Это дает возможность использования кооперативных эффектов в динамике точно позиционированных в пространстве (в области фокусировки микрошариками) пузырьков, синхронно образованных ансамблем микрочастиц при воздействии фемтосекундного лазерного импульса. Кооперативные эффекты в динамике пузырьков к настоящему времени изучены недостаточно, но именно эти эффекты открывают уникальные возможности для преобразования лазерного излучения в интенсивные, высокочастотные, направленные акустические поля (пузырьковая пушка). Эффект таких уникальных акустических полей будет апробирован, в частности, в биомедицинских приложениях. Отметим, что у группы имеется опыт облучения поглощающих жидкостей наносекундными лазерными импульсами через слой диэлектрических микрочастиц. Пузырьки при этом не образовывались, но некоторые особенности генерации звука были обнаружены. Таким образом в проекте предлагается изучение новых эффектов, возникающих при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на вещество при использовании ансамблей диэлектрических микрочастиц. При этом данные исследования базируются на опыте, имеющимся у авторов проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Афанасьев А. В., Иляков И. Е., Шишкин Б. В., Пикулин А. В. Битюрин Н. М. Nanostructuring of polymer surfaces mediated by colloidal microparticle lens array by pair of femtosecond laser pulses of different colors Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. АМ Прохорова Российской академии наук», «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)»,16, 49 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Афанасьев А. В., Иляков И. Е., Шишкин Б. В, Битюрин Н. М. Nanopatterning of the dielectric surface by a pair of femtosecond laser pulses of different color through a monolayer of microspheres, Optica Publishing Group, Optics Express, v.31, #8, 12423-12432 (год публикации - 2023)
10.1364/OE.482291

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Создание мезоструктур из частей монослоя микронных шариков, нанесенных на поверхность полимерного материала, может быть осуществлено двумя способами. Первый способ был рассмотрен при выполнении проекта на предыдущих этапах. Это – образование структур на стадии нанесения монослоев микрошариков. Здесь используется эффект модуляции смачиваемости подложки, на которую наносятся микрошарики, при предварительном облучении этой подложки УФ излучением. При нанесении шариков на такую подложку можно добиться того, что шарики нанесутся только на облученную поверхность из-за того, что при УФ облучении смачиваемость увеличивается. В этом году нам удалось создать качественные мезоструктуры таким способом. Другим способом создания мезоструктур, который изучался в этом году, является лазерная очистка. То есть изначально создается однородный монослой микрошариков, а затем части этого слоя очищаются лазерным излучением. Такой подход основан на том, что порог образования наноструктур под шариками при воздействии мощного фемтосекундного лазерного излучения несколько выше порога отлета шариков. Облучение предварительно созданных монослоев микошариков на подложках из полиметилметакрилата проводилось фемтосекундным лазерным излучением через металлические шаблоны. . При этом каждый раз использовался только один лазерный импульс. Качественные мезоструктуры были получены с помощью шаблона, представляющего из себя щель с регулируемой шириной, использовались ширины щели 20-100 мкм. При создании микро структур методом сканирования был обнаружен эффект существенного понижения порога модификации материала при воздействии лазерного излучения на наноструктуру, предварительно созданную при фокусировке микрошариком предыдущего лазерного импульса. 2. Эффект повышенного усиления поля микрошариками, находящимися на границе доменов монослоя микрошариков, нанесенного на полимерные подложки, как показывают расчеты, представленные в отчете предыдущего года, очень мал. Поэтому декорирование границы между доменами трудно реализовать. Тем не менее, используя эффект, модификации материала при воздействии на уже имеющиеся наноструктуры, о котором говорилось в предыдущем параграфе, удается это сделать. 3. В 2024 году были продолжены эксперименты по лазерной карбонизации полистирола, облучаемого фемтосекундными импульсами титан-сапфирового лазера через монослой полистирольных шариков. Были получены периодические люминесцентные микроструктуры в полистирольной пленке. Облученные образцы были исследованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Обнаружены углеродные наночастицы диаметром 2-5 нм. Хорошо известно, что структура углерода может иметь множество аллотропных форм. На изображении электронной дифракции видно большое количество паттернов. Практически все рефлексы соответствуют двум структурным фазам углерода с пространственными группами Cmmm и R-3m. Детальное изучение с помощью атомно-силового микроскопа поверхности полистирольной подложки после удаления шариков показывает, что в результате облучения под шариками образуются кратеры, в которых находятся люминесцирующие продукты карбонизации полистирольной подложки. https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.06448 4.. Была написана программа и произведен расчет распределения пространственного распределения поглощенной энергии фемтосекундного лазерного импульса с учетом ионизации диэлектрической подложки при фокусировке лазерного излучения монослоем диэлектрических шариков. Произведен также расчет акустического отклика среды. 5. Получены результаты по воздействию лазерного излучения на монослой с вакансиями. Вычисления проводились для шариков, находящихся на полимерной подложке, и для шариков, приклеенных к диэлектрической подложке и находящихся в воде. Показано, что в некоторые моменты времени формируются области отрицательного давления под вакансией, которые отсутствуют под шариками. Такие результаты могут являться причиной возникновения нано-пузырьков в жидкости под вакансией. Наличие максимума лазерного поля под вакансией, также может привести к формированию выпуклости на поверхности под вакансией. 6. В рамках гидродинамической модели лазерного свеллинга https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.06370 мы рассматриваем материал при температуре выше температуры стеклования как вязкую жидкость с вязкостью, сильно зависящей от температуры и давления. Нагрев инициирует вязкое течение из-за высокотемпературного расширения. Высокая вязкость препятствует установлению равновесного значения плотности материала. После охлаждения из-за диффузии тепла плотность остается замороженной при некотором значении, меньшем равновесного, что приводит к свеллингу. Построена одномерная гидродинамическая модель лазерного свеллинга в квазистационарном приближении, когда течение происходит достаточно медленно, так что акустическими эффектами можно пренебречь. Модель была применена для описания экспериментальных данных по обнаруженному в прошлом году лазерному свеллингу при воздействии пары разноцветных лазерных импульсов на полимер через монослой микрошариков https://doi.org/10.1364/OE.482291 , 7. Для генерации когерентных пузырьков при облучении воды через монослой полистирольных шариков эти шарики должны быть приклеены к прозрачной подложке. Они должны выдерживать максимальное количество лазерных импульсов, генерирующих кавитационные пузырьки. Вода оказывает расклинивающее действие на шарики, которые не должны быть полностью утоплены в слой клея. Нами предложен метод изготовления таких образцов. В этом методе в качестве подложки берется полистирол с пластификатором. Температура стеклования такого образца понижается при увеличении концентрации пластификатора. Полистирольные шарики в этом случае имеют большую температуру стеклования, чем подложка. При температурах, лежащих между температурами стеклования подложки и шариков шарики в печке заплавляются в подложку. Подобрана рецептура изготовления подложки и режимы изготовления образцов. При генерации когерентных пузырьков мы столкнулись с проблемой необходимости регулировать расстояние между ними, не изменяя радиуса шарика. Это можно сделать, используя обнаруженный нами ранее эффект уменьшения порога генерации пузырьков на вакансиях монослоя микрошариков. Таким образом, пузырьки можно генерировать на вакансиях, расстояние между которыми можно менять независимо от размеров шариков. Однако , это выходит за рамки данного проекта.

Публикации

1. Афанасьев А.В., Сапогова Н.В., Свешникова М.А., Битюрин Н.М. Laser swelling at femtosecond nanostructuring of material ИОФ РАН, Москва, Advanced Laser Technology, ALT 24, Владивосток, 22-26 сентября 2024г. Book of abstracts, p. 16. (год публикации - 2024)

2. Битюрин Н.М., Сапогова Н.В. Hydrodynamic model for laser swelling Cornell University, USA, Prepringt ArXiv 2409.06370 (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2409.06370

3. Свешникова М.А., Пикулин А.В., Битюрин Н.М. Laser field enhancement near defects in close-packed colloidal monolayers of dielectric spherical microlenses ИОФ РАН, Москва, Advanced Laser Technology, ALT 24, Владивосток, 22-26 сентября 2024г. Book of abstracts, p. 43 (год публикации - 2024)

4. Свешникова М.А., Афанасьев А.В., Пикулин А.В., Битюрин Н.М. Near-field enhancement beneath a vacancy in a close-packed colloidal monolayer of dielectric microspheres OPTICA publishing, Washington DC, USA, Preprint optica open 117797 (год публикации - 2024)
10.1364/opticaopen.27643305.v1

5. Кудряшов А.А., Гусев С.А., Орлова А.Н., Афанасьев А.В., Свешникова М.А., Битюрин Н.М. Femtosecond laser carbonization of polystyrene arXiv Cornell University, USA, Preprint arXiv:2412.06448 (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2412.06448

6. Афанасьев А.В., Свешникова М.А., Сапогова Н.В., Пикулин А.В., Битюрин Н.М. Effects of two-color femtosecond pulses irradiation of polymer surface through the monolayer of dielectric microspheres OPTICA publishing, Washington DC, USA, Preprint OPTICA Open 118129 (год публикации - 2024)
10.1364/opticaopen.28000385

7. М. А. Свешникова, А. В. Афанасьев, А. В. Пикулин Near-field enhancement beneath a vacancy in a close-packed colloidal monolayer of dielectric microspheres Optics Letters, Optics Letters, Vol. 50, Issue 16, pp. 5189-5192 (2025) (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1364/OL.572160