尽管之前的研究表明，金属纳米颗粒具有对各种生物医学应用有用的特性，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，仍有许多谜团。为了破解这个谜团，一组科学家采用了计算侦查策略。由弗吉尼亚大学(UVA)的Leonid Zhigilei领导的研究小组使用橡树岭领导计算中心(OLCF)的27-petaflop泰坦超级计算机在原子尺度上模拟短激光脉冲和金属目标之间的相互作用。这个过程被称为激光烧蚀，包括用激光束照射金属，选择性地去除材料层，从而改变目标的表面结构或形态，并生成纳米颗粒。
博科园：作为对激光烧蚀和纳米颗粒生成之间关系的更广泛研究部分，Zhigilei团队通过创新的计算影响理论和实验(INCITE)计划花费了数小时来研究形成两个不同纳米颗粒群体的机制。这个项目完全专注于这些过程如何在液体环境中表现，建立在之前的研究基础上，在真空中研究它们，《华尔街日报》的封底曾刊登了OLCF计算机科学家本杰明·赫尔南德斯(Benjamin Hernandez)利用自己开发的可视化工具SIGHT制作的激光消融图像。OLCF是美国能源部科学用户设施办公室，位于能源部橡树岭国家实验室(ORNL)。
跟随虚拟线索
为了区分小颗粒(小于10纳米)和大颗粒(大于或小于10纳米)的纳米粒子来源，研究小组对泰坦进行了一系列分子动力学模拟，模拟了激光烧蚀作用下水中的银和金目标。这些金属是稳定、惰性，不会与周围环境发生积极的反应，此外，银还有抗菌的作用。模拟结果表明，金属蒸气与水蒸气相互作用后迅速冷却，缩合形成小纳米粒子的可能性更大，而流体力学不稳定性(一种流体通过另一种不同密度流体的不稳定流动)导致金属解体时，大纳米粒子可能出现。在烧蚀过程中，激光脉冲会使金属靶表面过热，导致该区域爆炸分解为蒸汽和小液滴的混合物。
激光烧蚀可视化描述了纳米颗粒的生成。图片：Benjamin Hernandez, ORNL
然后，这种热混合物从被辐射的目标中喷射出来，形成所谓的烧蚀羽。这种现象被称为相位爆炸或“爆炸沸腾”，在真空激光烧蚀中得到了广泛的研究。然而，当烧蚀发生在液体环境中时，烧蚀羽与周围水的相互作用使烧蚀羽的速度减慢，从而使烧蚀过程复杂化，从而形成一层热金属层推水。这种动态的相互作用可以在熔融金属层中引发一系列快速的流体力学不稳定性，导致金属层部分或全部解体并产生大型纳米颗粒。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，重的液体会压在轻的液体上，然后在重力加速度的作用下开始流动，形成一些有趣的流动模式和粒子形成。
类似的情况也发生在激光烧蚀中——热金属的厚层被水快速减速，这在金属-水界面产生流体力学不稳定性，从而产生大型纳米颗粒。研究小组观察了单个原子的运动，从而推断出有关纳米颗粒生成的两条途径的有用信息。Zhigilei说：我们必须快速地从小于1纳米的原子转向数百纳米，这需要在模拟中解决数亿个原子的方程。而这种工作只可能在像泰坦这样的大型超级计算机上进行。导致纳米颗粒生成的两个过程都发生在一个称为空化泡的瞬态“反应室”内，这是热烧蚀羽流与液体环境相互作用的结果。
通过研究气泡从开始到结束的生命周期，科学家可以确定哪些类型的纳米颗粒在特定阶段出现。用激光脉冲照射水中的金属目标会产生一个热环境，导致一个类似于传统沸腾产生的大气泡形成、膨胀和破裂。任何纳米颗粒的生成过程，要么发生在气泡内部，要么发生在烧蚀羽状物与气泡表面之间的界面上。在纳米集成杜伊斯堡-埃森中心(CENIDE)进行的补充成像实验证实了该团队的计算结果，揭示了在主要空化泡周围形成含有纳米颗粒更小的微泡存在。CENIDE研究人员还制作了视频，演示了金纳米颗粒的生产过程，并展示了浸在液体消融室中的金靶。
改进的蓝图
传统上，科学家依靠合成技术通过一系列化学反应来高效地生产纳米颗粒。虽然这一过程可以精确控制纳米颗粒的大小，但化学污染可能会阻止生成的材料正常工作。激光烧蚀通过产生优良、清洁的纳米粒子，同时巧妙地将金属塑成更合适的形状，从而避免了这个陷阱。激光消融创造了一个完全清洁的纳米颗粒胶体溶液，不使用任何其他化学物质，这些原始材料是理想的生物医学应用，计算结果可能有助于扩大这一过程，提高生产率，从而使烧蚀最终能够在纳米颗粒的数量上与化学合成竞争。找到尺寸差异的来源，为未来研究人员优化激光消融技术、控制清洁纳米颗粒的尺寸铺平了道路。
在激光烧蚀过程中，熔融银(绿色)和单个银原子(红色)在金属-水界面附近的演化过程。图片：Benjamin Hernandez, ORNL
使它们更便宜，更容易用于潜在的生物医学目的，比如选择性杀死癌细胞。这一成就也证明了激光技术的好处，同时采取步骤揭示影响激光脉冲与金属相互作用结果的基本因素。这一知识将使该小组的纳米颗粒研究取得重大进展，并在激光消融和相关技术方面取得进展，从而能够更精确地解释现有数据。这篇纳米级论文的主要作者施正宇(Cheng-Yu Shih)毕业于弗吉尼亚大学(UVA)，目前正致力于将建模与实验研究结合起来，进一步探索不同金属如何产生纳米粒子来响应激光烧蚀。志吉莱希望这项研究能取得突破，消除对大小纳米颗粒进行分类的繁琐工作。
