За допомогою мікровзривів, викликаних надкороткими лазерними імпульсами, можна синтезувати наноалмази з етанолу і створювати порожнини в сапфірі.
Важко уявити життя без світла: завдяки йому ми бачимо навколишній світ, чергування світла і темряви необхідно для наших біологічних годинників, нарешті, енергія світлових хвиль потрібна для різних біологічних процесів (і найперший приклад тут - фотосинтез). Багато технологій, в тому числі і медичні, засновані на використанні світла: пломби в зубах твердіють під ультрафіолетовими променями, за допомогою ультрафіолету ж дезінфікують приміщення, а в хірургії світло працює як ріжучий скальпель - правда, світло не просте, а лазерне.
Лазером називають джерело світла, яке дозволяє контролювати характеристики випромінювання - колір (тобто довжину хвилі), форму променя і його інтенсивність. Більш того, сучасні лазери дозволяють створювати надкороткі імпульси тривалістю порядку фемтосекунд (10-15с.)! При такому короткочасному, але сильно сфокусованому впливі світло і речовина взаємодіють особливим способом: так звані нелінійні ефекти переважають над більш звичними нам лінійними.
Нелінійні ефекти проявляються, наприклад, у вибухах. Так-так, світло може підривати, але тільки в дуже маленьких масштабах. Електрони при такому вибуху відриваються від своїх атомів, і речовина локально перетворюється на плазу. Плазма - це сильно іонізований гарячий газ, який вважається четвертим агрегатним станом речовини. У загальному випадку вона являє собою високопровідну суміш електронів, іонів (атомів, від яких відірвані електрони) та електронейтральних атомів. Всі хімічні зв'язки розірвані, і всі частинки вступають в колективні взаємодії.
Лоренс Рапп (L. Rapp) і його колеги з Бургундського університету у Франції провели експеримент, в якому сапфірову платівку опромінювали 140-фемтосекундним лазерним імпульсом з довжиною хвилі 800 нм (інфрачервоний діапазон). Взаємодія інтенсивного випромінювання з сапфіром призвела до вибухоподібного утворення плазми в тому місці, куди потрапив лазерний промінь. Інтенсивність процесу була така, що навіть у такому щільному матеріалі як сапфір (а він у 2 рази щільніший за скло!) утворилися мікропустоти.
При цьому виявилося, що тип лазерного променя сильно впливає на ефективність появи пустот. «Нормальні» лазерні промені називаються гаусовими, тобто інтенсивність у них розподіляється від центру до країв пучка згідно з гаусовим розподілом. Бувають і інші, більш хитрі типи променів, наприклад, промінь Бесселя: він не дифрагує (тобто не ламається і не розходиться) і володіє здатністю до самовстановлення. Іншими словами, якщо на шляху проміння помістити непрозорий об'єкт, то, пройшовши через нього, промінь збереже форму та інтенсивність. Ідеальний промінь Бесселя недосяжний, оскільки для нього потрібна нескінченна енергія, але за допомогою конусоподібної лінзи (аксіконуса) або просторового модулятора світла можна отримати так званий промінь Бесселя-Гаусса - досить хороше наближення до властивостей променя Бесселя. У даному експерименті безселеві характеристики променя зберігалися протягом 32 мікрон, що досить добре, враховуючи, що товщина сапфірової мішені становила 100 мікрон.
Після одноразового попадання променя Бесселя в сапфірову платівку в ній утворювалися довгуваті порожнини; для їх обстеження зразок розрізали за допомогою фокусованого іонного пучка (детальніше про іонні пучки та іонну мікроскопію можна почитати тут). Порожнини відповідали за формою «безселевому» фрагменту променя: ширина близько 300 нм, довжина близько 30 мікрон. Інспекція порожнини за допомогою скануючого електронного мікроскопа показала, що вона має гладкі паралельні стінки без видимого «сміття», що залишився посла мікровзриву. Обсяг порожнини - близько 2 фемтолітрів, що на два порядку перевищує обсяг, що виходить за допомогою Гауссова пучка. Чим глибше всередині пластини сфокусований лазер, тим коротше виходить порожнина: наявність «вихлопного отвору», мабуть, дозволяє створити плазму на довшому проміжку. Чим довше триває імпульс, тим ширше порожнини, але при цьому страждає якість стінок. Відомості про те, як результат вибуху залежить від особливостей променя, дуже знадобляться у високоточній різанні і в створенні фотонних кристалів; детально про результати експериментів йдеться у статті в Scientific Reports.
Ще один цікавий результат з використанням фемтосекундних лазерних імпульсів для створення плазми отримали Чен-Хон Ні (Chen-Hon Nee) і його колеги з Малайзії і Тайваню - вони домоглися синтезу наноалмазів з розміром кристала менше 5 нм.
Спочатку наноалмази були виявлені в метеоритах, що прилетіли з-за меж Сонячної Системи і сформованих, ймовірно, з міжзіркового пилу (втім, точний механізм утворення таких метеоритів досі є відкритим питанням в астрономії). У наш час існує кілька методів виготовлення наноалмазів: вибухи тротилу, хімічна парова облога, а також абляція вуглецю-містять матеріалів в рідині (випаровування речовини з поверхні під впливом лазерного випромінювання), але вони і неефективні, і занадто трудомісткі.
Малайзійські фізики підійшли до проблеми з іншого боку. Замість того щоб робити наноалмази з різних аллотропів вуглецю (хімічно еквівалентних речовин з різною структурою, наприклад, вугілля, графіту і тд), вони вирішили відтворити, хоча б частково, оригінальні умови, в яких сформувалися космічні наноалмази - тобто зробити плазму, що містить атоми вуглецю (більш детально про аллотропи вуглецю і самоорганізацію розказували ми про завітки).
При інтенсивному опроміненні етанолу лазером з довжиною хвилі 1025 нм (інфрачервона частина спектра) імпульсом довжиною 500 фемтосекунд, як і в разі сапфіра, нелінійні ефекти взаємодії світла з етанолом призводять до утворення плазми всередині променя. У цих умовах молекули етанолу розвалюються на атоми вуглецю, кисню і водню, і атоми вуглецю складаються в наноалмази розміром до 5 нм (близько 1600 атомів вуглецю). Завдяки саморегулівному характеру нелінійних ефектів умови утворення кристалів «стандартизовані», завдяки чому розміри наноалмазів варіюють слабо. Це означає, що їх не потрібно відфільтровувати: після опромінення достатньо нанести етанол на підкладку і висушити його потоком повітря. Результати дослідження теж опубліковані в журналі Scientific Reports.
Наноалмази вважаються біосумісними і використовуються в біотехнологіях. Якщо випалити отримані кристали в певних умовах, то всередині може виявитися атом азоту, і тоді наноалмаз стає дуже сильним і стабільним люмінофором, що поглинає світло видимого діапазону з перевипромінюванням червоного світла; його можна використовувати для адресної доставки ліків в потрібний орган або клітку і в якості маркера при діагностиці ракових пухлин. Як бачимо, іноді ігри з лазерами, вибухами і дорогоцінним камінням можуть принести досить корисні результати.