从混沌到控制：通过机制、材料和应用推进激光纳米材料合成

摘要

发表在《物理化学杂志》C特刊“液体中纳米粒子的激光合成和加工”上。当高能激光脉冲聚焦到液体中时，它会产生局部爆炸：瞬态等离子体被点燃，空化气泡生长和破裂，冲击波在溶剂中涟漪，眨眼之间形成自由基。乍一看似乎是混乱的，实际上，这是一个可以用于材料设计的瞬态物理和化学现象的游乐场。在这种受控的混乱中，胶体纳米颗粒出现了──通常不含表面活性剂，成分独特，并具有传统化学难以获得的特性。这一观察最早出现在20世纪90年代初，当时Anton Fojtik和Arnim Henglein证明，脉冲激光照射液体中的金属目标可以重现地产生胶体纳米颗粒，(1)启动了现在被称为液体激光烧烧（LAL）的过程。一开始作为一个物理化学的好奇心，已经发展成为一个多样化的领域，以激光为基础的胶体合成与日益增长的控制，复杂性和应用潜力。这是一个令人兴奋的领域，无论是对专家还是初学者。(2)本特刊回顾了过去三十年来液体介质中激光纳米粒子合成的进展和发展，并重点介绍了2024年5月在弗吉尼亚州夏洛茨维尔举行的第七届液体中先进纳米粒子生成和激发（ANGEL）会议上报告的进展。激光在液体（4 - 8）中合成和加工纳米颗粒的领域已经远远超出了它的温和起源，现在包含了一整套相关的激光合成方法，如图1所示：在激光合成中，固体目标通过等离子体膨胀和空化烧蚀成纳米颗粒。(9)在液体激光破碎（LFL）中，较大的纳米（10）或微粒（11）被分解成更小、通常更均匀的微粒──这种方法源于光学应力和等离子体粒子耦合。液体激光熔化（LML）使亚微米级的球体聚结成为可能。（12）在液体激光还原（LRL）中，等离子体中的活性化学物质引发分子前体的纳米颗粒成核和生长。（13）液体反应性激光烧蚀（RLAL）利用溶剂或添加剂作为化学试剂，在烧蚀固体目标时直接还原或络合途径，（13）包括溶解气体的还原。(3)液体脉冲激光缺陷工程（PUDEL）作为一种引入点或表面缺陷的方法正在兴起，为定制功能提供了另一种杠杆。（14）图1。液体激光合成和加工方法说明（顺时针方向，上起）：液体激光烧蚀（LAL）、液体激光碎裂（LFL）、液体激光熔化（LML）、液体反应性激光烧蚀（RLAL）、液体激光还原（LRL）、液体脉冲激光缺陷工程（PUDEL）。激光合成技术的多样化与对激光材料相互作用以及它们如何影响合成纳米粒子特性的更深入的基本理解密切相关。反应机制──曾经仅从非原位表征推断（15）──现在可以通过原位诊断，如时间分辨光谱(3)和互补模拟来揭示。(3)平喷堆等工具提供了进入这些超快状态所需的实验稳定性。（16）本期特刊重点介绍了揭示了对广泛的化学和物理机制的新见解的工作。金属微粒在有机溶剂中的碎片提供了深入了解自由基反应途径和热和非热贡献之间的相互作用（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c06653）。丙酮中的铜和硅靶（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c08231）和平面射流中的有机颜料分散体（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c08643）的研究揭示了前驱体组成、激光通量和流量如何影响产品的选择性和收率。溶剂分解通道及其对分子产物分布的影响也被剖析（DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c05638）。利用频率分辨光声响应来监测尺寸变化（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c08334），氧化石墨烯对胶体网架的研究（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00439），金纳米颗粒在硫化锌晶体上的缺陷选择性吸附（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c05728），以及配体与纳米颗粒相互作用的质谱研究（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c03644）进一步扩展了我们对激光诱导胶体行为和界面化学的理解。在此基础上，研究人员开发了合成复杂纳米材料的途径（17），包括本期特刊中介绍的新材料。 在液体中基于激光的碳和石墨烯量子点合成和加工领域的不断发展，从基本机制到生物应用，已经对这些材料的未来设计提供了新的实用见解（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c01343）。发光的铒基纳米颗粒已经通过LAL （DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c07101）生产出来，而在液体中飞秒烧蚀可以获得高熵合金胶体（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c04574）和设计无序的多组分陶瓷（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c04851）。这些系统表明，在没有表面活性剂的情况下，组成复杂或亚稳态的材料可以从超快非平衡途径产生。激光诱导接枝策略进一步将胶体合成与宏观应用联系起来，例如形成纳米催化剂-碳纤维纸复合材料用于电极制造（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00641），而通过扫描脉冲的离子液体结晶（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00625）将激光控制扩展到软物质领域。通过基于激光的合成来定制光学特性的能力是该领域的另一个标志。激光合成材料捕获超快激发动力学，激子相互作用和场效应。这反映在偶氮苯染料二聚体的研究（DOI: 10.1021/acs.jpca.4c05237）和激光氧化硅纳米颗粒的陷阱主导重组过程（DOI: 10.1021/acs.jpca. 4c04410）。这些例子表明，结构-性质关系不仅嵌入到材料中，而且嵌入到形成材料的过程中。基于激光的纳米化学的主要动机仍然是追求功能应用。催化，特别是受益于表面清洁度，缺陷控制和形态调整，使脉冲激光成为可能。利用实时拉曼跟踪（DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c04174）实现了黑色TiO2的析氢增强，紫外激光后处理显著提高了Pt/C催化剂的活性（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00223）。这些结果表明，激光加工不仅用于合成，而且用于激活和性能调谐。除了催化作用外，LML合成的含有5% Ag纳米颗粒的Cu/Cu2O/CuO复合颗粒的抗菌活性也得到了增强（DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00736）。激光合成的纳米颗粒也越来越多地被探索作为先进制造业的功能添加剂，特别是在增材工艺中，如激光粉末床熔融。在这里，纳米颗粒修饰的原料可以对熔化行为、微观结构演变和最终部件功能进行新的程度的控制（18）──这一策略在处理纳米结构永磁体等要求苛刻的材料方面显示出了希望。（19,20）这个方向强调了纳米级设计如何超越粒子本身，成为宏观尺度材料性能的组成部分。将这些作品联系在一起的是一个共同的叙述：曾经被认为是不可控制的激光过程现在被理解为可设计的──通过时间分辨诊断、流动反应器设计、等离子体和溶剂动力学建模，以及对化学环境的刻意调节。纳米粒子不再仅仅是相互作用的结果──它们是协调的产物。本期特刊反映了一个日趋成熟的领域──这个领域不仅变得更加精确，而且更有目的性。我们感谢所有为这一愿景做出贡献的作者和审稿人，并邀请读者探索混沌如何在适当的利用下成为纳米材料设计的工具。本文引用了其他20个出版物。这篇文章尚未被其他出版物引用。