Procedimiento y dispositivo para la producción de nanopartículas mediante irradiación láser de precursores líquidos de tamaño microscópico.

La presente invención es proporcionar un dispositivo y procedimiento de producción de nanopartículas libres de contaminación por partículas de tamaño superior que permite,

pero no limita a, el uso de fuentes láser de nanosegundos bajo presión atmosférica. El procedimiento para la producción de nanopartículas mediante ablación con láser caracterizado porque se emplea como precursor una solución líquida en forma de gota de tamaño microscópico que comprende una disolución de los precursores de las nanopartículas. Este procedimiento: aumenta la reproducibilidad del acoplamiento láser-materia, impide la generación de aerosoles que se originan en el precursor y da lugar a una expansión adiabática libre de condensación de fase líquida.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se engloba en el campo de la nanotecnología. En particular, el procedimiento aquí propuesto tiene como objeto la producción de nanopartículas libres de contaminación de otras partículas de mayor tamaño mediante la irradiación de una gota de tamaño microscópico que contiene una solución precursora con un pulso láser cuya duración se puede escoger en un rango comprendido entre los femtosegundos y varios nanosegundos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las nanopartículas son de utilidad en numerosos campos de la física, la química y la biología. Es bien sabido que estas nanopartículas pueden ser generadas en una rápida expansión de un fluido supercrítico [Refs. 1, 2]. Tales condiciones termodinámicas se pueden dar mediante la expansión de un gas a través de una boquilla o a través de un calentamiento ultrarrápido. La interacción de un pulso de luz láser con una superficie puede también desembocar en un súbito calentamiento local, tras el cual, tiene lugar la expansión supersónica de un plasma que puede producir nanopartículas. Esta técnica es conocida como ablación con láser y los primeros trabajos datan de la década de 1960 [Ref. 3]. En la actualidad, la ablación láser se emplea en muy diversos campos entre los que se encuentra la fabricación de nanopartículas. Con este fin, se realiza la irradiación con un láser pulsado de un precursor macroscópico sólido que suele encontrarse en una atmósfera gaseosa controlada a una presión inferior a la atmosférica. Las nanopartículas se recolectan en un sustrato sólido (PLD) o son transportadas por una corriente del propio gas ambiente.

En general' los productos de la ablación con láser se presentan como una distribución de partículas de distinta naturaleza y morfología que abarca desde un átomo aislado, pasando por nanopartículas y micropartículas, hasta partículas de tamaño milimétrico (10-1°_10-3 m) . Esto es debido a que la ablación con láser es un fenómeno complejo en el que se dan un número de procesos físicos y químicos que dependen esencialmente de la dosificación de la energía láser y de su acoplamiento y transporte en la muestra que, a su vez, dependen de propiedades como la reflectividad, rugosidad y temperatura de la superficie, conductividad térmica, entalpías de fusión y vaporización. En función de las tres primeras, parte de la energía del pulso láser es reflejada y parte se acopla a la muestra, provocando un incremento isocórico de temperatura acompañado de un transporte radial de energía que genera capas concéntricas de plasma/vapor, fundido y sólido cuya extensión es función de la intensidad del pulso láser y del resto de parámetros mencionados. Debido a la súbita evaporación de material, una serie de ondas de presión recorren la atmósfera circundante y la muestra provocando la eyección de parte del material fundido en ésta última y, en algunos casos, la aparición de fracturas y expulsión de partículas sólidas.

Tras el pulso láser, tiene lugar un proceso adiabático de expansión y enfriamiento del plasma en el que las proporciones relativas de las distintas fases que se producirán vienen determinadas por la temperatura inicial y velocidad de expansión del plasma pero también por la presión y composición de la atmósfera circundante.

Las distintas vías de expansión adiabática posibles para un metal se han representado en el diagrama termodinámico temperatura-densidad de la Figura 1. La curva (1) de saturación binodal separa las fases de líquido y vapor. La vertical (2) indica el calentamiento y evaporación isocórica de la muestra. La curva (3) describe la expansión de un vapor a elevada temperatura (tal es el caso de un plasma) que no cruza la binodal hasta muy baja densidad y da lugar a la formación de un vapor monoatómico sin condensación. Este vapor monoatómico dará lugar a la formación de nanopartículas. Cualquier otra expansión que ocurra a menor velocidad (Curva 4) o desde un'p'lasma a menortEm;peratUra (Sr dará lugar a una recondensación parcial (4) o casi total (5) generando un aerosol de material fundido que contamina el vapor monoatómico precursor de las nanopartículas.

Las aproximaciones más directas para la obtención de nanopartículas con ablación láser hacen uso de fuentes láser con duraciones de pulso del orden de nanosegundos [Ref. 4]. En general, con dichas longitudes de pulso se obtiene una zona de fundido con una pequeña cantidad de vapores y plasma en la superficie de la muestra precursora. La propagación de ondas de presión/depresión hacia el interior de la muestra provoca la eyección de una mezcla que incluye material fundido y fragmentos sólidos para fluencias cercanas al umbral de fusión (definido éste como el inicio de la transición de fase sólido-líquido) . A medida que se aumenta la energía especifica (energía por unidad de masa) depositada por el láser, la fracción de volumen de líquido y fragmentos sólidos disminuye pero no desaparece del todo. Asimismo, la duración del pulso láser en este régimen es suficiente para que haya interacción entre la cola del propio pulso láser y el plasma. Este hecho da lugar al desenfoque e incluso apantallamiento del haz y, en consecuencia, a la disminución de la dosis efectiva de radiación acoplada al precursor. Una práctica normal es disminuir la presión de la atmósfera circundante con el doble fin de incrementar la velocidad de expansión del plasma para acercarla a la curva (3) de la Figura 1 y al tiempo, minimizar el efecto de apantallamiento del láser gracias a la menor densidad del plasma. Un inconveniente de esta aproximación es la necesidad de trabajar a presiones por debajo de la atmosférica y el excesivo desgaste de las ópticas por depósitos de material procedente del precursor.

Otra solución adoptada consiste en el uso de láseres de femtosegundos [Ref. 5]. En este régimen, la duración del pulso es sensiblemente inferior (106 veces más corto) al de nanosegundos y, por tanto, se evita la interacción láser-plasma al tiempo que se multiplica por 106 la potencia del pulso, lo que prácticamente garantiza una expansión adiabática sin condensación como la de la curva (3) , Figura 1. Sin embargo, no se consigue eliminar totalmente la aparición de aerosoles de material microparticulado eyectados por la muestra precursora; y sobre todo, las fuentes láser de pulsos ultracortos presentan una complejidad y falta de robustez incompatibles con entornos productivos, además de costes superiores en un orden de magnitud a otros láseres de mucha menor complejidad y uso muy extendido como puede ser el de Nd:Y AG (nanosegundos) .

Todo lo expuesto constata el hecho de que la ablación de sólidos es un fenómeno poco reproducible y de baja eficiencia energética, con tasas de ablación (la cantidad de material evaporado/ionizado) cambiantes de un pulso láser al siguiente (típicamente un 15% de variabilidad rms en el acoplamiento de energía) .· El control y supresión de la -formación de partículas no deseadas es vital en un número de aplicaciones dentro y fuera del campo de la nanotecnología, ya sea por la mera necesidad de proteger la óptica de enfoque del láser, como para evitar la contaminación del producto nanoparticulado con partículas de mayor tamaño y, en algunos casos, de distinta composición.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

El objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo y procedimiento de producción de nanopartículas libres de contaminación por partículas de tamaño superior que permite, pero no limita a, el uso de fuentes láser de nanosegundos bajo presión atmosférica.

Una gota de tamaño microscópico que contiene uno o varios precursores en disolución es totalmente vaporizada mediante un pulso láser cuya duración es de nanosegundos o inferior. El tamaño de la gota se escoge en función de la composición del precursor y de la energía del pulso láser mediante un balance energético. Este procedimiento: aumenta la reproducibilidad del acoplamiento láser-materia, impide la generación de aerosoles que se originan en el precursor y da lugar a una expansión adiabática libre de condensación de fase líquida. Para ello: (1) se emplea como precursor una gota microscópica que contiene una disolución de el/los precursores de las nanopartículas; (2) De esta forma, se obtiene una superficie de interacción constante y homogénea pulso a pulso, y dependiente únicamente del volumen de la gota y la composición de la solución precursora; (3) Mediante el uso de la gota microscópica se restringe la masa expuesta a la acción del pulso láser. Es decir, se expone al láser únicamente la masa que la energía del pulso láser puede vaporizar completamente; (4) y por...

1. Procedimiento para la producción de nanopartículas mediante ablación con láser caracterizado porque se emplea como precursor una solución 5 líquida en forma de gota de tamaño microscópico que comprende una disolución de los precursores de las nanopartículas.

2. Dispositivo para la producción de nanopartículas que comprende una fuente de irradiación láser (1) y medios (2) para dirigir el haz láser sobre un precursor caracterizado porque comprende además un generador de reloj y atrasos para la sincronización de la fuente láser (1) con un dispensador de gotas (3) para la generación de una gota (5) microscópica que comprende el precursor de las nanopartículas.

3. Dispositivo para la producción de nanopartículas según la reivindicación anterior caracterizado por que comprende además un dispensador de gotas (3) para la generación de una gota (5) microscópica que comprende el precursor de las nanopartículas.

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