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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11950(2022) 이 기사 인용

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이 연구는 α-Fe2O3의 펄스 레이저 용융에 의해 복합 입자가 형성되는 동안 화학적 용매-입자 상호 작용을 철저히 조사합니다. 에틸 아세테이트(εr = 6) 및 에탄올(εr = 24.6)과 같이 서로 다른 유전 상수를 갖는 두 가지 용매가 산화철 복합재의 형태, 크기 및 상 구성에 미치는 영향을 조사했습니다. 우리는 먼저 상 변화를 겪는 임계 입자 크기를 식별하기 위해 가열-용해-증발 접근법을 사용하여 레이저 플루언스 곡선을 계산했습니다. 입자와 액체 사이의 열 방출을 포함하여 두 용매 모두에서 390mJ/pulse.cm2로 조사된 입자의 온도를 평가했습니다. Fe-O-C-H 시스템의 상태 다이어그램은 평형 상태에 있는 시스템의 온도-압력 관계를 결정하기 위해 계산되었습니다. 또한 조사 중 휘발성 생성물을 식별하기 위해 현장 GC-MS 분석을 사용했습니다. 실험 결과를 바탕으로 복합재의 최종 직경은 용매의 유전 상수 감소와 함께 400nm에서 600nm로 증가하며 이는 유기 액체의 극성 차이 및 입자 응집 정도와 관련이 있다는 결론을 내렸습니다. 에탄올에서 적철광의 환원은 훨씬 빠르게 진행되어 Fe/FeCx로 끝나는 반면, 에틸 아세테이트에서는 Fe3O4로 끝났습니다. 모든 입자 중에서 직경이 200nm인 입자가 온도가 가장 높고 상전이가 가장 먼저 일어납니다. 에탄올 내 200 nm 복합 입자의 온도는 에틸 아세테이트보다 약간 낮습니다. 즉, 1902 K에 비해 1870 K입니다. 상 평형 다이어그램은 약 1900 K에서 선호되는 상으로 Fe, FeO 및 Fe3O4의 존재를 입증했습니다. 이번 연구는 펄스 레이저 조사 중 미크론 미만의 입자 형성 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 용매에 따라 다양한 크기와 상 구성의 입자 성장 메커니즘을 제안할 수 있게 해줍니다.

지난 수십 년 동안 레이저 가공은 나노입자 합성을 위한 중요한 경로가 되었습니다1. 액체 내 펄스 레이저 절제(LAL) 방법은 표적의 작은 영역에 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 집중된 레이저 빔을 사용하여 순수 금속2,3, 금속 유리4, 합금과 같은 다양한 구조를 가진 바이메탈 입자의 폭발성 나노입자를 빠르게 성장시킵니다5 ,6,7,8,9,10,11,12,13 또는 코어-쉘14). 액체 매질에 분산된 나노입자를 조사하기 위해 중간 강도의 비집속 레이저 빔을 사용하면 약간 다른 현상이 나타납니다. 조사된 물질은 녹아서 합쳐져 마이크로미터 이하 크기의 구형 입자를 형성합니다. LML(펄스 레이저 액체 용융)이라고 하는 후자 기술은 탁월한 특성을 지닌 콜로이드 서브마이크로미터 구체를 합성하는 포괄적이고 유망한 방법임이 입증되었습니다. 매혹적인 특성을 지닌 이러한 입자는 바이오센싱, 의료 응용, 에너지 저장, 촉매 작용, 포토닉스 및 기타 여러 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다18,19,20,21.

지금까지 LML 방법은 서로 다른 형태, 즉 코어-쉘 및 합금뿐만 아니라 서로 다른 상 조성을 갖는 복합 입자(즉, 두 개 이상의 구성 재료로 구성된 입자)의 합성에 효과적인 접근 방법인 것으로 나타났습니다. 금속, 산화물 또는 비평형 바이메탈 합금(AuFe, AuCo 및 AuNi). 얻은 입자의 크기, 형태 및 구성은 파장22, 용매23,24, 농도25, 조사 시간24,26, 레이저 플루언스27,28,29,30,31,32,33과 같은 실험 매개변수에 의해 제어 가능한 방식으로 조정될 수 있습니다. 또는 조사된 물질의 몰비33. 유기 용매의 콜로이드 현탁액에 레이저를 조사하면 조사된 산화물의 산화 상태가 감소하는 것으로 보고되었습니다. 예를 들어, 산화구리(CuO)가 금속상으로 환원되는 것은 에탄올이나 아세토니트릴과 같은 유기용매에서만 일어나는 반면, 물에서는 일어나지 않습니다. 또한, 펄스 레이저 용융 중에 고압 및 온도 조건으로 인해 일산화탄소 및 탄화수소와 같은 환원 가스가 입자 주위에 형성되는 것으로 보고되었습니다. 광분해, 용매의 열분해, 열분해로 인한 화학 화합물과 입자 표면의 상호 작용과 같은 다른 매개변수는 펄스 레이저 조사 과정에서 복합 입자를 생성하는 데 중요한 역할을 수행할 수 있습니다. 환원 공정 중에 생성된 가스가 조사된 산화물의 산화 상태를 감소시키는 데 중요할 수 있지만 레이저 공정 중에 발생하는 라디칼 반응은 지금까지 광범위하게 조사되지 않았습니다. 예를 들어, 레이저 용융 중 에탄올에서 Fe3O4의 환원은 입자 주변의 에탄올 증발과 환원제인 에틸렌 화합물의 형성으로 설명됩니다. Suehara 등은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 에틸렌이 1000-4000 K34에서 100ns 동안 펄스 레이저 가열 중에 에탄올 분해의 주요 생성물임을 보여주었습니다. 다른 논문에서는 펄스 레이저 조사 중 산화비스무트가 금속 Bi로 부분적으로 환원되는 현상이 에탄올 분해로 얻은 H2 및 CO 분자와 Bi-산화물의 상호작용에 의해 설명되었습니다36. 물과 에탄올과 티타니아 표면의 상호작용은 분광학적 특성화와 순순한 계산을 통해 조사되었습니다. 두 용매 모두 티타니아 표면의 산소 결손과 상호작용하여 결함이 물에 의해 부분적으로 부동화되고 에탄올 분자에 의해 결함이 완전히 부동화되는 것으로 나타났습니다. 특정 구조와 고유한 특성을 가진 생산된 재료의 제어 가능성을 향상시키기 위해서는 다양한 상황에서 시스템의 열 모델링뿐만 아니라 입자의 열역학적 거동 조사를 포함하여 조사된 재료와 용매 분자 간의 상호 작용을 탐색하는 것이 필요합니다.