Комплексный метод наблюдения сверхкритического состояния в молекулярных средах

15.02.2022

Динамика передачи энергии от лазерно-индуцированной плазмы к атомной подсистеме при оптическом пробое – это сложный процесс, который еще полностью не охарактеризован. В большинстве случаев сверхкритические флюиды находятся в стационарном или квазистационарном состоянии, то есть при заданном давлении и температуре. Это не позволяет локализовать их воздействие. При фокусировке коротких и ультракоротких лазерных импульсов в среду в ней достигается высокий энерговклад (порядка нескольких кДж/см3), что приводит к локальному нагреву и генерации ударных волн с давлением порядка МПа-ТПа. С точки зрения нахождения вещества на p-T диаграмме, такое состояние является сверхкритическим. Однако, из-за того, оно является экстремальным и нестационарным, остается отрытым вопрос – будет ли оно обладать свойствами сверхкритических флюидов.

Такое, локализованное воздействие технологически оправдано для микротехнологий прецизионной обработки материалов за счет использования уникальных свойств СКФ (низкая вязкостью, легко варьируемая плотность, высокими коэффициентами диффузии, тонко варьируема растворяющая способность).

В работе ученых Института фотонных технологий РАН структурного подразделения ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН было впервые продемонстрировано, что применение наносекундных лазерных импульсов в жидком диоксиде углерода приводит к сверхкритическому состоянию, в котором наблюдается кластеризация, высокие флуктуации и аномальное поведения Рамановских спектров.

Сверхкритические флюидные технологии находятся на стыке физии, химии и медицины. За счет сочетания свойств, как жидких (высокая плотность, текучесть) так и газовых сред (высокие диффузионные свойства, изменение плотности при варьировании давления и температуры) они широко используются в науке и технике, например для обогащения, экстракции и очистки, например кофеина, а также для производства фармакологических субстанций, микро и наночастиц.

Рис. 1. Эволюция кавитационных пузырей в жидком диоксиде углерода (80 бар, 300 К) после воздействия наносекундного (6 нс, 400 мкДж) лазерного импульса. Задержки между силовым и пробным импульсом указаны на рисунке.