Bien que des recherches antérieures montrent que les nanoparticules métalliques ont des propriétés utiles pour diverses applications biomédicales, de nombreux mystères subsistent quant à la formation de ces minuscules matériaux, y compris les processus qui génèrent des variations de taille. Pour casser cette affaire, une équipe de scientifiques s'est tournée vers des tactiques de détective informatique.

Dirigé par Leonid Zhigilei de l'Université de Virginie (UVA), l'équipe a utilisé le supercalculateur Titan de 27 pétaflops de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) pour modéliser les interactions entre les impulsions laser courtes et les cibles métalliques à l'échelle atomique. Connu sous le nom d'ablation au laser, ce processus consiste à irradier des métaux avec un faisceau laser pour éliminer sélectivement des couches de matériau, qui modifie la structure de surface de la cible, ou la morphologie, et génère des nanoparticules.

Dans le cadre d'une recherche plus large sur la relation entre l'ablation laser et la génération de nanoparticules, L'équipe de Zhigilei a passé les heures de calcul gagnées dans le cadre du programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) à étudier les mécanismes responsables de la formation de deux populations distinctes de nanoparticules. Ce projet s'est concentré exclusivement sur la façon dont ces processus se manifestent dans des environnements liquides, en s'appuyant sur des recherches antérieures qui les ont étudiés dans le vide.

Pour corroborer leurs conclusions, les scientifiques de l'UVA ont collaboré avec un groupe de recherche de l'Université de Duisburg-Essen, Allemagne. En 2018, leurs résultats ont été publiés dans Nanoéchelle ; la quatrième de couverture du journal présentait une image d'ablation au laser Benjamin Hernandez, informaticien de l'OLCF, créée à l'aide de SIGHT, un outil de visualisation personnalisable qu'il a développé. L'OLCF est une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE.

Suivre des indices virtuels

Pour différencier les sources de nanoparticules classées comme petites (moins de 10 nanomètres) et grandes (10 nanomètres ou plus), l'équipe a effectué une série de simulations de dynamique moléculaire sur Titan, qui a modélisé des cibles d'argent et d'or dans de l'eau irradiée par ablation laser.

"Ces métaux sont stables, inerte, et ne réagissent pas activement avec le milieu environnant, " dit Zhigilei. " De plus, l'argent a des propriétés antibactériennes utiles."

Les résultats de la simulation ont indiqué que les petites nanoparticules sont plus susceptibles de se former à partir de la condensation de vapeur de métal rapidement refroidie par son interaction avec la vapeur d'eau, tandis que de grands peuvent apparaître lorsque des instabilités hydrodynamiques, qui sont des écoulements instables d'un fluide à travers un autre fluide de densité différente, provoquer la désintégration du métal.

Pendant l'ablation, les impulsions laser surchauffent une partie de la surface de la cible métallique, conduisant à une décomposition explosive de cette région en un mélange de vapeur et de petites gouttelettes de liquide. Ce mélange chaud est ensuite éjecté de la cible irradiée, formant ce que l'on appelle le panache d'ablation. Connue sous le nom d'explosion de phase ou « ébullition explosive », " ce phénomène a été largement étudié pour l'ablation laser sous vide.

Cependant, lorsque l'ablation a lieu en milieu liquide, l'interaction du panache d'ablation avec l'eau environnante complique le processus en ralentissant le panache d'ablation, ce qui conduit à la formation d'une couche de métal chaud poussant contre l'eau.

Cette interaction dynamique peut déclencher une succession rapide d'instabilités hydrodynamiques dans la couche de métal en fusion, provoquant sa désintégration partielle ou totale et la production de grosses nanoparticules. Une nouveauté bien connue illustre ce comportement.

« Quand vous allumez une lampe à lave pour la première fois, le fluide lourd repose sur le fluide léger, mais ensuite il commence à couler sous l'action de l'accélération gravitationnelle et crée des modèles d'écoulement intéressants et la formation de particules, " a déclaré Zhigilei. " Quelque chose de similaire se produit avec l'ablation au laser - la lourde couche de métal chaud est rapidement ralentie par l'eau, qui produit des instabilités hydrodynamiques à l'interface métal-eau qui génèrent de grosses nanoparticules."

L'équipe a observé les mouvements d'atomes individuels pour extrapoler des informations utiles concernant les deux voies de génération de nanoparticules.

"Nous avons dû rapidement passer d'atomes à l'échelle de moins d'un nanomètre à des centaines de nanomètres, qui nécessitait de résoudre des équations pour des centaines de millions d'atomes dans nos simulations, " a déclaré Zhigilei. " Ce type de travail n'est possible que sur de gros superordinateurs comme Titan. "

Les deux processus qui conduisent à la génération de nanoparticules ont lieu dans une "chambre de réaction" transitoire connue sous le nom de bulle de cavitation, qui résulte de l'interaction entre le panache d'ablation à chaud et l'environnement liquide. En étudiant la durée de vie de la bulle du début à la fin, les scientifiques peuvent identifier quels types de nanoparticules émergent à certaines étapes.

"L'irradiation d'une cible métallique dans l'eau avec des impulsions laser crée un environnement chaud qui conduit à la formation, expansion, et l'effondrement d'une grosse bulle similaire à celles créées par l'ébullition conventionnelle, " a déclaré Zhigilei. " Tout processus de génération de nanoparticules se produit soit à l'intérieur de la bulle, soit à l'interface entre le panache d'ablation et la surface de la bulle. "

Des expériences d'imagerie complémentaires réalisées au Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) ont confirmé les résultats informatiques de l'équipe en révélant l'existence de microbulles plus petites contenant des nanoparticules qui se sont formées autour de la bulle de cavitation principale.

Les chercheurs du CENIDE ont également réalisé des vidéos démontrant la production de nanoparticules d'or et affichant une cible en or immergée dans une chambre d'ablation liquide.

Un plan d'amélioration

Les scientifiques se sont traditionnellement appuyés sur des techniques de synthèse pour produire efficacement des nanoparticules grâce à une séquence de réactions chimiques. Bien que ce processus permette un contrôle précis de la taille des nanoparticules, la contamination chimique peut empêcher les matériaux résultants de fonctionner correctement. L'ablation laser évite cet écueil en générant des performances supérieures, nettoyer les nanoparticules tout en moulant subtilement le métal dans des configurations plus appropriées.

"L'ablation au laser crée une solution colloïdale complètement propre de nanoparticules sans utiliser d'autres produits chimiques, et ces matériaux vierges sont idéaux pour les applications biomédicales, ", a déclaré Zhigilei. "Les résultats de nos calculs peuvent aider à étendre ce processus et à améliorer la productivité afin que l'ablation puisse éventuellement rivaliser avec la synthèse chimique en termes de nombre de nanoparticules produites."

Trouver la source de l'écart de taille ouvre la voie à un avenir où les chercheurs peuvent optimiser l'ablation laser pour contrôler la taille des nanoparticules propres, les rendant moins chères et plus facilement disponibles à des fins biomédicales potentielles telles que la destruction sélective des cellules cancéreuses.

Cette réalisation illustre également les avantages de la technologie laser tout en prenant des mesures pour découvrir les facteurs fondamentaux qui influencent les résultats des interactions entre une impulsion laser et un métal. Cette connaissance pourrait conduire à de grands progrès dans la recherche de l'équipe sur les nanoparticules, ainsi que les progrès de l'ablation laser et des techniques associées, qui à son tour permettrait une interprétation plus précise des données existantes.

Cheng Yu Shih, auteur principal de l'article Nanoscale et récent diplômé de l'UVA, travaille maintenant à combiner la modélisation avec des études expérimentales pour explorer davantage comment différents métaux génèrent des nanoparticules en réponse à l'ablation laser.

Zhigilei espère que la recherche aboutira à une percée qui éliminera la tâche fastidieuse de trier les petites et les grandes nanoparticules.