СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ФРАГМЕНТАЦИИ МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ В ПРОТОКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
LASER FRAGMENTATION OF MICRO- AND NANOPARTICLES IN FLOW CHANNELS AND DEVICE TO THIS END

Предлагаемая группа изобретений относится к области фрагментации микро- и наночастиц.
Известен способ фрагментации наночастиц золота, включающий лазерное экспонирование дисперсного раствора наночастиц золота в воде (см. Н.А. Кириченко, И.А. Сухов, Г.А. Шафеев, М.Е. Щербина, "Эволюция функции распределения наночастиц Au в жидкости под действием лазерного излучения", Квантовая электроника, 2012, 42 (2), 175-180 [1]).
Известно устройство для фрагментации наночастиц золота, включающее в себя кювету, заполненную дисперсным раствором наночастиц золота, лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение в объеме дисперсного раствора [1]. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер на парах меди.
Недостатком известного способа и устройства является низкая производительность и невысокая эффективность процесса, которые обусловлены малой вероятностью попадания наночастицы в перетяжку лазерного излучения и падением его мощности как за счет потерь на вводе излучения в кювету, так и за счет дефокусировки лазерного излучения в толще жидкости.
Технический результат предлагаемого способа и устройства заключается в увеличении эффективности фрагментации микро- и наночастиц и в снижении энергозатрат на этот процесс.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе фрагментации микрочастиц и наночастиц, включающем лазерное облучение дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, дисперсионный раствор прокачивают с помощью циркуляционного насоса со скоростью 1-10 см/с через тонкое сопло диаметром от 100 до 300 мкм, при этом лазерное облучение струи дисперсионного раствора проводят на выходе из сопла.
Причем в дисперсионном растворе в качестве жидкости используют воду, спирты или органические нитраты.
При этом в способе используют дисперсионный раствор с микрочастицами и наночастицами металлов, например золота, меди, латуни, бронзы, железа, титана, алюминия; полупроводников, например кремния; или диэлектриков, например стекла.
Кроме того, устройство для фрагментации микрочастиц и наночастиц, содержащее источник лазерного излучения, содержит резервный объем для дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, тонкое сопло с диаметром от 100 до 300 мкм и циркуляционный насос, выполненный с возможностью забора дисперсионного раствора из резервного объема и прокачки его со скоростью 1-10 см/с через соединенное с циркуляционным насосом сопло, при этом источник лазерного излучения выполнен с оптической системой доставки лазерного излучения и фокусирующей линзой, выполненной с возможностью фокусировки пучка лазерного излучения на струю дисперсионного раствора на выходе из сопла.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где: 1 - циркуляционный насос; 2 - подающий шланг; 3 - крепеж для сопла; 4 - сопло; 5 - струя дисперсионного раствора; 6 - фокусирующая линза; 7 - патрубок для подачи дисперсионного раствора в циркуляционный насос; 8 - резервный объем; 9 - пучок лазерного излучения; 10 - источник лазерного излучения.
Предлагаемое устройство для фрагментации микро- и наночастиц в жидкости содержит циркуляционный насос 1, забирающий дисперсионный раствор из резервного объема 8 при помощи патрубка 7 и прокачивающий его через подающий шланг 2 в тонкое сопло 4, которое фиксируется при помощи крепежа 3 к подающему шлангу 2, и расположенный вне пределов устройства источник лазерного излучения 10 с оптической системой доставки лазерного излучения 9, фокусирующей линзой 6.
Предлагаемый способ фрагментации микро- и наночастиц осуществляется следующим образом. В резервный объем 8 заливается дисперсионный раствор микро- и/или наночастиц. Включается циркуляционный насос 1, с помощью которого дисперсионный раствор забирают из резервного объема 8 и прокачивают его со скоростью 1-10 см/с через сопло 4, соединенное с циркуляционным насосом 1. Лазерное излучение 9 из источника 10 фокусируется при помощи фокусирующей линзы 6 на струе дисперсионного раствора 5, выходящего из сопла 4.
Ниже приведены конкретные примеры использования предлагаемого способа.
Пример 1. В качестве дисперсионного раствора использована взвесь микрочастиц стекла в воде средним размером 1 мкм. Скорость потока составляла 1 см в секунду. В качестве излучения использовалась третья гармоника лазера на неодимовом стекле. Длина волны 355 нм, длительность импульса 10 пс и средняя мощность 4 ватта. Частота повторения импульсов 50 кГц. Скорость фрагментации микрочастиц составляла 50-100 мг в час.
Пример 2. В качестве дисперсионного раствора использована взвесь микрочастиц алюминия в этаноле диаметром 10 мкм. Скорость потока составляла 2 см в секунду. В качестве излучения использовалась первая гармоника лазера на неодимовом стекле. Длина волны 1064 нм, длительность импульса 10 пс и средняя мощность 15 ватт. Частота повторения импульсов составляла 200 кГц. Скорость фрагментации микрочастиц составляла 100-200 мг в час.
Если же лазерному облучению подвергалась массивная алюминиевая мишень при тех же параметрах используемого лазера, то скорость генерации наночастиц была существенно ниже, на уровне 50 мг/час. Эти параметры подтверждают энергетический выигрыш, реализующийся в случае лазерной фрагментации микрочастиц вместо массивной мишени.
Пример 3. Лазерная фрагментация наночастиц золота в воде. Приводимые ниже распределения масс наночастиц по размерам подтверждают факт фрагментации наночастиц в более мелкие наночастицы по мере увеличения времени лазерного облучения дисперсного раствора.
Согласно полученным данным при воздействии лазерного излучения на дисперсный раствор максимум распределения по размерам смещается с исходных 30 нм до 7 нм. Стоит отметить, что значение меньшего максимума достигается уже через 5 минут облучения. В дальнейшем происходит только уменьшение амплитуды исходного максимума.
Сопоставление Примеров 2 и 3 позволяет сделать вывод, что лазерная фрагментация смеси микро- и наночастиц действительно возможна. При фрагментации микрочастиц появляются наночастицы, которые, в свою очередь, фрагментируются до более мелких со временем лазерного облучения.
Предлагаемый способ фрагментации микро- и наночастиц и устройство для его осуществления обеспечивают возможность эффективно и с высокой производительностью фрагментировать микро- и наночастицы за счет того, что зона воздействия лазерного излучения совпадает с размером струи, тем самым обеспечивая фрагментацию всех частиц, находящихся в растворе. Предлагаемый способ может быть использован для фрагментации микро- и наночастиц различных материалов: металлы (например, золото, медь, латунь, бронза, железо, титан, алюминий), полупроводники (например, кремний, бор) или диэлектрики (например, стекло).