儘管之前的研究表明，金屬納米顆粒具有對各種生物醫學應用有用的特性，但關於這些微小材料是如何形成的，包括產生尺寸變化的過程，仍有許多謎團。為了破解這個謎團，一組科學家採用了計算偵查策略。由弗吉尼亞大學(UVA)的Leonid Zhigilei領導的研究小組使用橡樹嶺領導計算中心(OLCF)的27-petaflop泰坦超級計算機在原子尺度上模擬短激光脈衝和金屬目標之間的相互作用。這個過程被稱為激光燒蝕，包括用激光束照射金屬，選擇性地去除材料層，從而改變目標的表面結構或形態，並生成納米顆粒。

博科園：作為對激光燒蝕和納米顆粒生成之間關係的更廣泛研究部分，Zhigilei團隊通過創新的計算影響理論和實驗(INCITE)計劃花費了數小時來研究形成兩個不同納米顆粒群體的機制。這個項目完全專註於這些過程如何在液體環境中表現，建立在之前的研究基礎上，在真空中研究它們，《華爾街日報》的封底曾刊登了OLCF計算機科學家本傑明·赫爾南德斯(Benjamin Hernandez)利用自己開發的可視化工具SIGHT製作的激光消融圖像。OLCF是美國能源部科學用戶設施辦公室，位於能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)。

跟隨虛擬線索

為了區分小顆粒(小於10納米)和大顆粒(大於或小於10納米)的納米粒子來源，研究小組對泰坦進行了一系列分子動力學模擬，模擬了激光燒蝕作用下水中的銀和金目標。這些金屬是穩定、惰性，不會與周圍環境發生積極的反應，此外，銀還有抗菌的作用。模擬結果表明，金屬蒸氣與水蒸氣相互作用後迅速冷卻，縮合形成小納米粒子的可能性更大，而流體力學不穩定性(一種流體通過另一種不同密度流體的不穩定流動)導致金屬解體時，大納米粒子可能出現。在燒蝕過程中，激光脈衝會使金屬靶表面過熱，導致該區域爆炸分解為蒸汽和小液滴的混合物。

激光燒蝕可視化描述了納米顆粒的生成。圖片：Benjamin Hernandez, ORNL

然後，這種熱混合物從被輻射的目標中噴射出來，形成所謂的燒蝕羽。這種現象被稱為相位爆炸或「爆炸沸騰」，在真空激光燒蝕中得到了廣泛的研究。然而，當燒蝕發生在液體環境中時，燒蝕羽與周圍水的相互作用使燒蝕羽的速度減慢，從而使燒蝕過程複雜化，從而形成一層熱金屬層推水。這種動態的相互作用可以在熔融金屬層中引發一系列快速的流體力學不穩定性，導致金屬層部分或全部解體併產生大型納米顆粒。一個眾所周知的新奇物品說明了這種行為。當你第一次打開熔岩燈時，重的液體會壓在輕的液體上，然後在重力加速度的作用下開始流動，形成一些有趣的流動模式和粒子形成。

類似的情況也發生在激光燒蝕中——熱金屬的厚層被水快速減速，這在金屬-水界面產生流體力學不穩定性，從而產生大型納米顆粒。研究小組觀察了單個原子的運動，從而推斷出有關納米顆粒生成的兩條途徑的有用信息。Zhigilei說：我們必須快速地從小於1納米的原子轉向數百納米，這需要在模擬中解決數億個原子的方程。而這種工作只可能在像泰坦這樣的大型超級計算機上進行。導致納米顆粒生成的兩個過程都發生在一個稱為空化泡的瞬態「反應室」內，這是熱燒蝕羽流與液體環境相互作用的結果。

通過研究氣泡從開始到結束的生命周期，科學家可以確定哪些類型的納米顆粒在特定階段出現。用激光脈衝照射水中的金屬目標會產生一個熱環境，導致一個類似於傳統沸騰產生的大氣泡形成、膨脹和破裂。任何納米顆粒的生成過程，要麼發生在氣泡內部，要麼發生在燒蝕羽狀物與氣泡表面之間的界面上。在納米集成杜伊斯堡-埃森中心(CENIDE)進行的補充成像實驗證實了該團隊的計算結果，揭示了在主要空化泡周圍形成含有納米顆粒更小的微泡存在。CENIDE研究人員還製作了視頻，演示了金納米顆粒的生產過程，並展示了浸在液體消融室中的金靶。

改進的藍圖

傳統上，科學家依靠合成技術通過一系列化學反應來高效地生產納米顆粒。雖然這一過程可以精確控制納米顆粒的大小，但化學污染可能會阻止生成的材料正常工作。激光燒蝕通過產生優良、清潔的納米粒子，同時巧妙地將金屬塑成更合適的形狀，從而避免了這個陷阱。激光消融創造了一個完全清潔的納米顆粒膠體溶液，不使用任何其他化學物質，這些原始材料是理想的生物醫學應用，計算結果可能有助於擴大這一過程，提高生產率，從而使燒蝕最終能夠在納米顆粒的數量上與化學合成競爭。找到尺寸差異的來源，為未來研究人員優化激光消融技術、控制清潔納米顆粒的尺寸鋪平了道路。

在激光燒蝕過程中，熔融銀(綠色)和單個銀原子(紅色)在金屬-水界面附近的演化過程。圖片：Benjamin Hernandez, ORNL

使它們更便宜，更容易用於潛在的生物醫學目的，比如選擇性殺死癌細胞。這一成就也證明了激光技術的好處，同時採取步驟揭示影響激光脈衝與金屬相互作用結果的基本因素。這一知識將使該小組的納米顆粒研究取得重大進展，並在激光消融和相關技術方面取得進展，從而能夠更精確地解釋現有數據。這篇納米級論文的主要作者施正宇(Cheng-Yu Shih)畢業於弗吉尼亞大學(UVA)，目前正致力於將建模與實驗研究結合起來，進一步探索不同金屬如何產生納米粒子來響應激光燒蝕。志吉萊希望這項研究能取得突破，消除對大小納米顆粒進行分類的繁瑣工作。

博科園-科學科普｜研究/來自: 橡樹嶺國家實驗室

參考期刊文獻:《Nanoscale》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab1076

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