橡树岭国家实验室 激光烧蚀的可视化描绘了纳米粒子的产生
荣誉:本杰明·埃尔南德斯，ORNL 尽管先前的研究表明金属纳米粒子具有可用于各种生物医学应用的特性，但关于这些微小材料是如何形成的，包括产生尺寸变化的过程，仍然存在许多谜团
为了侦破此案，一组科学家转向计算侦查策略
在弗吉尼亚大学(UVA)的列昂尼德·吉格利(Leonid Zhigilei)的领导下，该团队使用橡树岭领导计算设施(OLCF)的27pb巨型计算机在原子尺度上模拟了短激光脉冲和金属目标之间的相互作用
这一过程被称为激光烧蚀，包括用激光束照射金属，以选择性地去除材料层，从而改变目标的表面结构或形态，并产生纳米粒子
作为对激光消融和纳米粒子产生之间关系的更广泛研究的一部分，志基利的团队花了数小时通过创新和新颖的理论和实验计算影响(INCITE)项目来研究形成两种不同纳米粒子群体的机制。
这个项目专门关注这些过程在液体环境中是如何表现的，建立在以前真空研究的基础上
为了证实他们的发现，弗吉尼亚大学的科学家们与德国杜伊斯堡-埃森大学的一个研究小组合作
2018年，他们的成果发表在《纳米尺度》上；《华尔街日报》的封底展示了OLCF计算机科学家本杰明·埃尔南德斯利用他开发的可定制可视化工具SIGHT创建的激光消融图像
OLCF是美国能源部科学用户办公室，位于能源部橡树岭国家实验室(ORNL)
追踪虚拟线索 为了区分小纳米粒子(小于10纳米)和大纳米粒子(大于或等于10纳米)的来源，研究小组在土卫六上进行了一系列分子动力学模拟，模拟了激光烧蚀照射水中的银和金目标
“这些金属是稳定的、惰性的，不会与周围的环境发生积极的反应，”志基利说
“此外，银还具有有用的抗菌特性
" 模拟结果表明，小的纳米颗粒更有可能由金属蒸汽与水蒸气相互作用而迅速冷却的冷凝物形成，而当流体动力不稳定性(一种流体通过另一种不同密度的流体的不稳定流动)导致金属碎裂时，大的纳米颗粒可能出现
在烧蚀过程中，激光脉冲使金属靶表面过热，导致该区域爆炸分解成蒸汽和小液滴的混合物
然后，这种热混合物从受辐照的靶中喷出，形成所谓的烧蚀羽流
这种现象被称为相爆炸或“爆炸沸腾”，已被广泛研究用于真空中的激光烧蚀
然而，当烧蚀发生在液体环境中时，烧蚀羽流与周围水的相互作用通过减缓烧蚀羽流而使该过程变得复杂，这导致逆着水形成热金属层
这种动态相互作用会在熔融金属层中引发一连串快速的流体动力学不稳定性，导致其部分或全部分解并产生大的纳米颗粒
一个众所周知的新奇物品说明了这种行为
“当你第一次打开熔岩灯时，重流体位于轻流体的顶部，但随后它在重力加速度的作用下开始流动，并产生一些有趣的流动模式和粒子形成，”志吉莱说
“激光烧蚀也发生了类似的情况——热金属的重层被水快速减速，在金属-水界面产生流体动力不稳定性，从而产生大型纳米粒子
" 代表激光烧蚀过程中熔融银(绿色)和单个银原子(红色)在金属-水界面附近的演变
荣誉:本杰明·埃尔南德斯，ORNL 研究小组观察了单个原子的运动，从而推断出有关纳米粒子生成的两条途径的有用信息
“我们必须从不到一纳米的原子快速旋转到数百纳米，这需要在我们的模拟中为数亿个原子求解方程，”志吉里说
“这种工作只有在像泰坦这样的大型超级计算机上才有可能
" 导致纳米粒子生成的两个过程都发生在称为空化泡的瞬态“反应室”中，这是由热烧蚀羽流和液体环境之间的相互作用引起的
通过研究气泡自始至终的寿命，科学家们可以确定哪些类型的纳米粒子在特定阶段出现
“用激光脉冲照射水中的金属目标会产生一个热环境，导致一个大气泡的形成、膨胀和坍塌，类似于传统沸腾产生的气泡，”志吉里说
“任何纳米粒子的生成过程要么发生在气泡内，要么发生在烧蚀羽流和气泡表面之间的界面上
" 杜伊斯堡-埃森纳米集成中心(CENIDE)进行的补充成像实验证实了该团队的计算发现，揭示了在主要空化气泡周围形成的包含纳米粒子的较小微泡的存在
该中心的研究人员还制作了演示金纳米粒子生产的视频，展示了浸在液体消融室中的金靶
改进的蓝图 科学家们传统上依靠合成技术通过一系列化学反应高效地生产纳米粒子
虽然这一过程允许精确控制纳米粒子的尺寸，但化学污染可能会妨碍所得材料正常工作
激光烧蚀通过产生优质、干净的纳米粒子，同时将金属精细地成型为更合适的结构，从而避免了这一缺陷
“激光消融在不使用任何其他化学物质的情况下产生了一种完全干净的纳米粒子胶体溶液，这些原始材料对于生物医学应用来说是理想的，”Zhigilei说
“我们的计算结果可能有助于扩大这一过程的规模并提高生产率，从而使消融最终能够在产生的纳米粒子数量方面与化学合成竞争
" 找到尺寸差异的来源为未来铺平了道路，在未来，研究人员可以优化激光消融来控制干净纳米颗粒的尺寸，使它们更便宜，更容易用于潜在的生物医学目的，例如选择性杀死癌细胞
这一成就也体现了激光技术的优势，同时采取措施揭示了影响激光脉冲与金属之间相互作用结果的基本因素
这些知识可能会使该团队的纳米粒子研究取得重大进展，并推动激光消融和相关技术的进步，这反过来又会使现有数据得到更精确的解释
《纳米尺度》论文的第一作者、最近刚从弗吉尼亚大学毕业的施正宇现在致力于将建模与实验研究相结合，进一步探索不同金属如何响应激光消融产生纳米粒子
志贵利希望这项研究能够带来突破，不再需要对大小纳米粒子进行繁琐的分类
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