# Behavior of nanoparticles under short-pulse heating: Study of atomic mechanisms via atomistic simulations

Tatiana Itina, Abderrazak Toulil, Elena Kachan, Yaroslava Yingling

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Tatiana Itina, Abderrazak Toulil, Elena Kachan, Yaroslava Yingling. Behavior of nanoparticles under short-pulse heating: Study of atomic mechanisms via atomistic simulations. Forum ILP: 13ème Forum Lasers et Plasmas, ILP, CPHT, France, Jun 2025, Le Plan de la Tour (Var), France. ujm-05118295

HAL Id: ujm-05118295

https://ujm.hal.science/ujm-05118295v1

Submitted on 18 Jun 2025

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## Applications et synthèse des NP

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Les nanoparticules subissent des transformations complexes sous chauffage par impulsions courtes, ce qui est crucial pour de nombreuses applications en catalyse, science des matériaux et nanotechnologies.

TERI-Deakin Nanobiotechnology

DOI: 10.1007/978-3-030-63647-0_30

Dans cette étude, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire (DM) pour examiner le comportement dynamique de diverses nanoparticules mono- et bimétalliques et/ou leurs alliages, sous excitation thermique rapide. En utilisant le champ de forces réactives ReaxFF, nous explorons des processus tels que le frittage, l'alliage et la fragmentation en présence d'oxydation et d'autres réactions, fournissant de nouvelles perspectives sur les mécanismes au niveau atomique qui régissent l'évolution des nanoparticules.

## Experiences: co-ablation fs, co-frgamentation

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>NPs sont produites par ablation fs dans l'acetone (150 µJ, 490 fs, 10 kHz repetition rate). -3 h de co-fragmentation</figcaption></figure>

1030 nm

*Fluence: 10 J/cm²

*Frequency: 10 kHz

*Pulse duration: 450 fs

*Target placed: 10 mm under liquid surface

*Volume of liquid: 6 ml

*Irradiation time: 30 min -3h

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Au NP sur Ni NP</figcaption></figure>

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### Experiments:

Z. Switkowska, O. Politi, et al.

PAN Krakow, Poland

A. Pastukhov,

A. Kabashin et al.

LP3, Marseille, France

(PHC POLONIUM PROJECT)

HR-TEM images, et distribution en taille

*Au_in_Ni* stands for gold ablated in the presence of Ni NPs

*Ni_in_Au* is for reversed configuration: nickel ablated in presence of Au NPs

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G. Bongiovanni et al.
Nanoscale Adv.,
2021, 3, 5277-5283

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## Simulations MD

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Fragmentation d'une particule suite au chauffage rapide</figcaption></figure>

T. E. Itina, Nanoscale Adv., 2024, 6, 5451 DOI: 10.1039/D4NA00634H

## Résultats des simulations MD

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Aggregation, coalescence, fragmentation</figcaption></figure>

Après un chauffage et lun réfroidissement :

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T.E. Itina et al. Lase 2025

Tmax, K 1200 2200 4200

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Changement de l'énergie de Gibbs : rôles de la temperature, talles, compositions, concentrations</figcaption></figure>

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A.Taranovskyy et al.
Phys. Chem. Chem. Phys., 2021, 23, 6116-6127

## MD ReaxFF : Réactions Chimiques

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Ni NP dans O,</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Ni NP dans O, et C</figcaption></figure>

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Cu-ethanol and CuO-ethanol

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I.S. Omeje et al., 2025,
Surfaces and interfaces

M. Shakeri et al.
(2023) Advanced Functional
Materials, 33(43), 2304359.

* Les résultats mettent en évidence la diversité des phénomènes fortement hors d'équilibre induits par les impulsions ultracourtes, allant de l'ablation de matériaux aux modifications de nanoparticules.

* Les nanoparticules peuvent être directement éjectées des cibles par des impulsions laser.

* Les nanoparticules peuvent être frittées ou fragmentées.

* Les impulsions laser induisent des vibrations des nanoparticules avant leur fragmentation.

* La variation de l'énergie de Gibbs est importante (taille, concentration, T, fraction d'éléments).

* Dans les liquides, les bulles peuvent affecter les nanoparticules et vice versa.

* L'utilisation de ReaxFF MD et DFT permet de mieux comprendre et contrôler les réactions chimiques.

* Ces résultats ouvrent la voie au développement de nanoparticules multifonctionnelles avec des applications potentielles en catalyse, dans les dispositifs magnéto-optiques et en biomédecine.