Las pequeñas estructuras de micro y nanoescala dentro de la superficie de un material son invisibles a simple vista, pero juegan un papel importante en la determinación de las propiedades físicas, químicas y biomédicas de un material.
En los últimos años, Chunlei Guo y su equipo de investigación en la Universidad de Rochester han encontrado formas de manipular esas estructuras irradiando pulsos láser a la superficie de un material. Han alterado los materiales para hacerlos repeler el agua, atraer agua yabsorba grandes cantidades de luz, todo sin ningún tipo de recubrimiento.
Ahora, Guo, Anatoliy Vorobyev y Ranran Fang, investigadores del Instituto de Óptica de la Universidad, han avanzado la investigación un paso más. Han desarrollado una técnica para visualizar, por primera vez, la evolución completa de micro yFormación estructural a nanoescala en la superficie de un material, tanto durante como después de la aplicación de un pulso láser.
"Después de determinar que podíamos alterar drásticamente la propiedad de un material mediante la creación de pequeñas estructuras en su superficie, el siguiente paso natural fue comprender cómo se formaron estas pequeñas estructuras", dice Guo. "Esto es muy importante porque después de ustedentienda cómo se forman, puede controlarlos mejor "
Tener ese control abrirá el camino para mejoras en todo tipo de tecnologías, incluidos materiales de construcción anticorrosivos, absorbedores de energía, celdas de combustible, telescopios espaciales, descongelación de aviones, instrumentación médica y saneamiento en países del tercer mundo.
en un artículo publicado en la revista Nature Luz: ciencia y aplicaciones , el grupo introdujo una técnica de imagen de luz dispersa que les permite grabar una película ultrarrápida de las formas en que la radiación láser altera la superficie de un material. La técnica abre una ventana en todo el proceso, desde el momento en que un láser golpea el materiala la fusión, las fluctuaciones transitorias de la superficie y la resolidificación que resultan en micro y nanoestructuras permanentes.
Actualmente se tarda aproximadamente una hora en modelar una muestra de metal de una pulgada por una pulgada. Identificar cómo se forman las micro y nanoestructuras tiene el potencial de permitir a los científicos racionalizar la creación de estas estructuras, incluido el aumento de la velocidad y la eficiencia desuperficies de diseño.
Crear y alterar estas pequeñas estructuras hace que las propiedades sean parte intrínseca del material y reduce la necesidad de recubrimientos químicos temporales.
Para producir estos efectos, los investigadores usan un láser de femtosegundo. Este láser produce un pulso ultrarrápido con una duración de decenas de femtosegundos un femtosegundo es igual a una cuadrillonésima de segundo.
Cambiar las condiciones del láser provoca cambios en las características morfológicas de las estructuras de la superficie, como su geometría, tamaño y densidad, lo que hace que el material exhiba varias propiedades físicas específicas.
Es difícil obtener imágenes detalladas y películas de eventos en micro y nanoescalas porque ocurren durante una cuestión de femtosegundos, picosegundos una billonésima de segundo y nanosegundos una milmillonésima de segundo.
Para poner esto en perspectiva: Vorobyev explica que la luz tarda aproximadamente un segundo en viajar de la Tierra a la Luna. Sin embargo, la luz viaja solo aproximadamente un pie en un nanosegundo y aproximadamente 0.3 micrómetros en un femtosegundo, que es una distancia comparableal diámetro de un virus o bacteria.
Una cámara de video típica graba una serie de imágenes a una velocidad de cinco a 30 cuadros por segundo. Al reproducir la serie de imágenes en tiempo real, los ojos humanos perciben un movimiento continuo en lugar de una serie de cuadros separados.
Entonces, ¿cómo fue que el equipo de Guo pudo grabar fotogramas en un intervalo de femtosegundos, picosegundos y nanosegundos? Usaron una técnica que involucra luz dispersa. Durante un pulso láser de femtosegundos, el haz se divide en dos: un haz de la bomba está dirigido alobjetivo de material para provocar un cambio micro y nanoestructural, y el segundo haz de la sonda actúa como una bombilla para iluminar el proceso y grabarlo en una cámara CCD, un dispositivo de imagen altamente sensible con capacidades de alta resolución.
"Trabajamos muy duro para desarrollar esta nueva técnica", dice Guo. "Con la luz dispersa pulsando a intervalos de femtosegundos, podemos capturar los cambios muy pequeños a una velocidad extremadamente rápida. De estas imágenes podemos ver claramente cómolas estructuras comienzan a formarse "
Guo explica que esta técnica de visualización de luz dispersa tiene aplicaciones para capturar cualquier proceso que tenga lugar en una escala de minutos. "La técnica que desarrollamos no se limita necesariamente al estudio de los efectos de superficie producidos en mi laboratorio. La base que establecimos en esteel trabajo es muy importante para estudiar cambios ultrarrápidos y pequeños en la superficie de un material ". Esto incluye estudiar la fusión, la cristalografía, la dinámica de fluidos e incluso las actividades celulares".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rochester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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