Nieuws

Hete nanodeeltjes maken explosieve reuzenbellen

Gouden nanodeeltjes in water, waarop een laserstraal valt, worden erg heet: ruim boven het kookpunt van water. Dat er dan dampbelletjes ontstaan, was bekend. Maar onderzoek met een supersnelle camera toont nu aan dat daaraan voorafgaand een veel grotere bel ontstaat die met veel geweld explodeert. Deze ontdekking is van grote betekenis voor de energieoverdracht van deeltjes naar het omliggende medium, bijvoorbeeld om energie uit zonlicht te winnen, voor lokale medische therapie, of voor het gebruik van katalysatoren. Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Universiteit Utrecht, die samenwerken in het programma Multiscale Catalytic Energy Conversion, publiceren erover in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

De nanodeeltjes brengen het water lokaal aan de kook als ze worden belicht met een laser. Aan het oppervlak van de deeltjes gaan, door de belichting, elektronen collectief trillen. De verwarming via  deze ‘plasmonen’ geeft een sterke verdamping: veel sterker dan te bereiken is door de vloeistof lokaal op te warmen met de laser. Over de ‘vroegste jeugd’ van de belletjes was weinig bekend. Maar nu blijkt, is die eerste fase, van nucleatie en vroege dynamiek, bepalend voor de vervolgfasen.


Als het nanodeeltje wordt verhit door een laser, ontstaat een grote en explosieve bel, in volume honderd keer groter dan de belletjes die we kennen. 

Honderd keer groter 

Tot nu toe is vooral gekeken naar de bellen op een tijdschaal van milliseconden. Dankzij de supersnelle camera Brandaris128, ontwikkeld aan de Universiteit Twente, is het ook mogelijk om op de nanoseconden tijdsschaal te kijken. Deze metingen laten zien dat korte tijd nadat het nanodeeltje wordt verhit met de laser, eerst een bel ontstaat met een honderd keer groter volume dan de latere belletjes. Die bel explodeert, om plaats te maken voor veel kleinere belletjes die periodiek natrillen. Uiteindelijk resulteert dit in de bekende mechanismen, van bellen die groeien door de verdamping van water en door gasdiffusie van het in water opgeloste gas.

Pure dampbel

Intuïtief zou je verwachten dat de grootte van die reuzenbel toeneemt met het vermogen van het laserlicht op het nanodeeltje. Toch is dit precies andersom. De reden hiervoor is dat bij een lager laservermogen het veel langer duurt  voordat de belvorming op gang komt, maar het gebeurt dan wel explosief Wat ook meespeelt, is of het water rijk of juist arm is aan gas: het laatste geeft grotere bellen; ook hier is de reden de vertraging van de explosie. Experimenten en berekeningen laten zien dat de reuzenbel aanvankelijk een pure dampbel is en geen gasbel: het maximale volume is keurig lineair afhankelijk van de energie.


In de tweede fase, nadat de grote bel is geexplodeerd, ontstaat een kleinere, oscillerende bel als opmaat voor de 'gewone' verdamping.

Effectiever katalysatoren 

Met controle over het ontstaansgeweld en de dynamiek in de vroegste fase, zijn de nanodeeltjes nog beter toe te passen: aan de ene kant  verhogen de bellen de energie-overdracht, aan de andere kant zouden ze vanwege de explosieve belgroei ook schade kunnen aanrichten, bijvoorbeeld in het omliggende weefsel bij medische toepassingen. De explosieve groei kan een groot voordeel zijn in toepassingen waarin de nanodeeltjes als katalysator dienen voor het versnellen van chemische reacties. Ook hieraan draagt de nieuwe kennis in belangrijke mate bij,

Nationaal programma energieconversie 

Het onderzoek is uitgevoerd binnen het Netherlands Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC), een omvangrijk Zwaartekracht-programma van NWO, gericht op energieconversie op verschillende schalen. Aan dit paper hebben onderzoekers uit de UT-groepen Physics of Fluids, BIOS Lab-on-a-chip en Physics of Interfaces and Nanomaterials (MESA+ Instituut en TechMed Centre) samengewerkt met de Utrechtse groep Inorganic Chemistry and Catalysis.

Het paper Giant and explosive plasmonic bubbles by delayed nucleation’, door Yuliang Wang, Mikhail Zaytsev, Guillaume Lajoinie, Hai Le The, Jan Eijkel, Albert van den Berg, Michel Versluis, Bert Weckhuysen, Xuehua Zhang, Harold Zandvliet en Detlef Lohse, verschijnt op 12 juli in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Wiebe van der Veen
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)