Multiframe-beeldvorming van bellendynamiek op micron en nanoschaal

De vorming en ineenstorting van microscopisch kleine belletjes is belangrijk op een groot aantal gebieden als zowel een potentieel mechanisme achter weefselbeschadiging, zoals in gevallen van door explosiegolven veroorzaakt traumatisch hersenletsel, en als een nuttig hulpmiddel voor technologische toepassingen, zoals mechanische evaluatie van eigenschappen, manipulatie van nanomaterialen en oppervlaktereiniging.

Nanobellen zijn van bijzonder belang in deze gebieden omdat ondanks de kleine hoeveelheid energie die nodig is voor vorming, hun extreme lokalisatie het potentieel opent voor buitensporige effecten. Het begrip van de dynamische respons in dergelijke kleinschalige bubbels is echter beperkt door de experimentele uitdagingen die gepaard gaan met sonderen tot op nanoschaal.

Maar wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een unieke benadering gekozen om de dynamiek van micro- en submicron-bubbels te karakteriseren met behulp van een uniek systeem met dynamische transmissie-elektronenmicroscopie in filmmodus (MM-DTEM), dat speciaal is gebouwd om afbeeldingen te maken met korte elektronenpulsen. gegenereerd door een zeer afstembare laserpulstrein.

“Hoewel sequentiële optische beeldvorming (dwz het opnemen van films) aanzienlijk heeft bijgedragen aan ons begrip van cavitatie en ander complex bellengedrag op de grotere schaal (10s van micrometer tot millimeter), maken de noodzakelijke lengte- en temporele resoluties een dergelijke traditionele benadering onhaalbaar voor nanobellen “, zegt LLNL-materiaalwetenschapper Garth Egan, hoofdauteur van een paper dat verschijnt in Nano-letters.

In het verleden is single-shot optische beeldvorming toegepast, met korte laserpulsen die worden gebruikt om de bel op gezette tijden te verlichten ten opzichte van de initiatie van de bel, om de vereiste temporele resolutie te bereiken. Fundamentele limieten aan de ruimtelijke resolutie van optische microscopie beperken echter de bruikbaarheid van deze benadering wanneer bellen de nanoschaal bereiken en de aard van één afbeelding het nut ervan voor complexe en niet-herhaalbare interacties beperkt.

Om de beelden op nanoschaal te maken, schoot het LLNL-team een ​​laserpuls van 532 nanometer (ongeveer 12 nanoseconden [ns]) om gouden nanodeeltjes te prikkelen in een 1,2 micron laag water. De resulterende bellen werden waargenomen met een reeks van negen elektronenpulsen (10 ns) gescheiden door slechts 40 ns piek-tot-piek. De onderzoekers ontdekten dat geïsoleerde nanobellen in minder dan 50 ns instortten, terwijl grotere (∼2-3 micron) bellen in minder dan 200 ns groeiden en instortten.

Er werd waargenomen dat geïsoleerde bellen zich consistent gedroegen met modellen die waren afgeleid van gegevens van veel grotere bellen. De vorming en ineenstorting bleken tijdelijk asymmetrisch te zijn, wat gevolgen heeft voor de manier waarop resultaten van alternatieve methoden van experimentele analyse worden geïnterpreteerd. Er werden ook complexere interacties tussen aangrenzende bubbels waargenomen, wat ertoe leidde dat bubbels langer leefden dan verwacht en terugkaatsten bij instorting.