De minuscules structures à l'échelle micro et nanométrique à la surface d'un matériau sont invisibles à l'œil nu, mais jouent un grand rôle dans la détermination du physique d'un matériau, chimique, et propriétés biomédicales.

Au cours des dernières années, Chunlei Guo et son équipe de recherche à l'Université de Rochester ont trouvé des moyens de manipuler ces structures en irradiant des impulsions laser à la surface d'un matériau. Ils ont modifié les matériaux pour les rendre imperméables, attirer l'eau, et absorbent de grandes quantités de lumière, le tout sans aucun type de revêtement.

Maintenant, Guo, Anatoliy Vorobyev, et Ranran Fang, chercheurs de l'Institut d'optique de l'Université, ont fait avancer la recherche d'un autre pas. Ils ont développé une technique pour visualiser, pour la première fois, l'évolution complète de la formation structurelle à l'échelle micro et nanométrique à la surface d'un matériau, pendant et après l'application d'une impulsion laser.

« Après avoir déterminé que nous pouvions modifier radicalement les propriétés d'un matériau en créant de minuscules structures à sa surface, la prochaine étape naturelle était de comprendre comment ces minuscules structures ont été formées, " Dit Guo. " C'est très important parce qu'une fois que vous avez compris comment ils se forment, vous pouvez mieux les contrôler. "

Avoir ce contrôle ouvrira la voie à des améliorations dans toutes sortes de technologies, y compris les matériaux de construction anticorrosifs, absorbeurs d'énergie, réservoirs de carburant, télescopes spatiaux, dégivrage avion, instrumentation médicale, et l'assainissement dans les pays du tiers monde.

Dans un article publié dans la revue Nature Lumière :science et applications , le groupe a introduit une technique d'imagerie par lumière diffusée qui leur permet d'enregistrer un film ultrarapide de la façon dont le rayonnement laser modifie la surface d'un matériau. La technique ouvre une fenêtre sur l'ensemble du processus, à partir du moment où un laser frappe le matériau jusqu'à sa fusion, fluctuations de surface transitoires, et la resolidification résultant en des micro- et nanostructures permanentes.

Il faut actuellement environ une heure pour modeler un échantillon de métal d'un pouce sur un pouce. L'identification de la façon dont les micro et nanostructures se forment a le potentiel de permettre aux scientifiques de rationaliser la création de ces structures, notamment en augmentant la vitesse et l'efficacité des surfaces de structuration.

La création et la modification de ces petites structures font que les propriétés font intrinsèquement partie du matériau et réduisent le besoin de revêtements chimiques temporaires.

Pour produire ces effets, les chercheurs utilisent un laser femtoseconde. Ce laser produit une impulsion ultra-rapide d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes. (Une femtoseconde est égale à un quadrillionième de seconde.)

La modification des conditions du laser entraîne des changements dans les caractéristiques morphologiques des structures de surface, telles que leur géométrie, Taille, et la densité, ce qui conduit le matériau à présenter diverses propriétés physiques spécifiques.

Il est difficile d'obtenir des images et des films détaillés d'événements à l'échelle micro et nanométrique car ils se produisent en quelques femtosecondes, picosecondes (un billionième de seconde), et nanosecondes (un milliardième de seconde).

Pour mettre cela en perspective :Vorobyev explique qu'il faut environ une seconde à la lumière pour voyager de la Terre à la Lune. Cependant, la lumière ne parcourt qu'environ un pied par nanoseconde et environ 0,3 micromètre par femtoseconde, qui est une distance comparable au diamètre d'un virus ou d'une bactérie.

Une caméra vidéo typique enregistre une série d'images à une cadence de cinq à 30 images par seconde. Lors de la lecture de la série d'images en temps réel, les yeux humains perçoivent un mouvement continu plutôt qu'une série de cadres séparés.

Alors, comment l'équipe de Guo a-t-elle pu enregistrer des images à un intervalle de quelques femtosecondes, picosecondes, et nanosecondes ? Ils ont utilisé une technique impliquant la lumière diffusée. Au cours d'une impulsion laser femtoseconde, le faisceau est scindé en deux :un faisceau pompe est dirigé vers la cible matérielle afin de provoquer des changements micro- et nanostructuraux, et le deuxième faisceau de sonde agit comme une ampoule flash pour éclairer le processus et l'enregistrer dans une caméra CCD, un dispositif d'imagerie hautement sensible doté de capacités haute résolution.

« Nous avons travaillé très dur pour développer cette nouvelle technique, " dit Guo. " Avec la lumière diffusée pulsant à des intervalles de temps femtoseconde, nous pouvons capturer les très petits changements à une vitesse extrêmement rapide. À partir de ces images, nous pouvons clairement voir comment les structures commencent à se former. »

Guo explique que cette technique de visualisation de la lumière diffusée a des applications pour capturer tout processus qui se déroule à une échelle infime. "La technique que nous avons développée ne se limite pas nécessairement à l'étude des effets de surface produits dans mon laboratoire. Les bases que nous avons posées dans ce travail sont très importantes pour étudier les changements ultrarapides et minuscules sur une surface matérielle." Cela comprend l'étude de la fusion, cristallographie, dynamique des fluides, et même les activités cellulaires.