Produire plus efficacement des nanoparticules par laser
La fabrication de nanoparticules par laser élucidée expérimentalement et un nouveau record de productivité atteint
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Les nanoparticules sont des particules minuscules, environ mille fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain. Elles jouent un rôle central dans des domaines tels que la catalyse dans la technologie énergétique et l'imagerie biomédicale. Maximilian Spellauge, ancien élève de HM, a rédigé sa thèse de doctorat à l'université de Duisburg-Essen dans le cadre d'un doctorat coopératif avec l'université de Munich (HM) et y a étudié systématiquement les bases des procédés de fabrication basés sur le laser. Il a obtenu deux résultats novateurs : La productivité maximale spécifique à la puissance pouvant être atteinte lors de l'ablation laser dans un liquide est de 75 milligrammes par heure et par watt pour l'or, soit presque quatre fois plus que la valeur record actuelle de 21 mg/h/W. Pour la séparation de microparticules individuelles en particules plus petites, Spellauge a même atteint 720 mg/h/W, soit presque un ordre de grandeur supérieur.
De l'impulsion individuelle à l'image globale : examen systématique dans des conditions contrôlées
Spellauge a réalisé des expériences ciblées sur les impulsions laser individuelles afin d'exclure les influences perturbatrices dues à la formation de bulles ou de particules déjà générées. L'ablation de l'or dans un liquide ainsi que la fragmentation de microparticules d'or individuelles dans un liquide ont été étudiées. Des mesures de la transmission et de la réflexion de la lumière ont fourni des indications précises sur l'énergie absorbée. Grâce à la microscopie à pompe-échantillon, un procédé qui permet de visualiser des processus dans une plage de temps allant de la picoseconde à la milliseconde, il a suivi l'ensemble du processus d'interaction laser-matière.
Deux voies, un objectif : comparaison des mécanismes de formation des nanoparticules
Lors de l'ablation de l'or dans un liquide, Spellauge a mis en évidence deux mécanismes de formation : Le matériau vaporisé se condense en très petites particules de moins de dix nanomètres ; la désintégration d'une couche superficielle dissoute mécaniquement produit des particules plus grandes de plusieurs dizaines de nanomètres. L'efficacité dans un liquide est quatre fois inférieure à celle de l'ablation à l'air, car le matériau enlevé retombe partiellement. Les durées d'impulsion les plus efficaces dans ce processus se situent entre 10 picosecondes et 1 nanoseconde.
Lors de la fragmentation de microparticules d'or individuelles, Spellauge a identifié trois mécanismes : tout d'abord ce que l'on appelle l'explosion de phase photothermique, au cours de laquelle les particules de la substance passent brusquement à l'état gazeux, la spallation qui suit en tant qu'éclatement de particules d'or ainsi que la focalisation par pression. Dans ce dernier cas, la superposition d'ondes de pression entraîne une amplification locale de la pression dans la particule, ce qui favorise sa fragmentation en morceaux plus gros. Environ deux pour cent de l'énergie absorbée ont été convertis en une nouvelle surface de particule, contre seulement 0,1 pour cent lors de l'ablation de corps solides. "Les résultats montrent que la fragmentation de particules individuelles est nettement plus efficace du point de vue énergétique que l'ablation d'un corps solide dans un liquide. En même temps, les mécanismes physiques qui déterminent la taille des particules deviennent clairs - et comment nous pourrons les influencer de manière ciblée à l'avenir", explique le chercheur.
Production durable de nanoparticules : applications dans la catalyse et la technique énergétique
Les connaissances acquises offrent des points de départ concrets pour l'optimisation des processus : lors de l'ablation dans un liquide, la division des impulsions ou l'allongement de la durée d'impulsion du laser augmentent la productivité et améliorent la répartition de la taille des particules. Lors de la fragmentation, la formation spatiale et la division du faisceau laser permettent également d'augmenter la productivité et de mieux cibler la répartition de la taille des particules. Les procédés basés sur le laser ne nécessitent aucun additif chimique et répondent aux principes de la chimie verte. Spellauge voit des champs d'application surtout dans la catalyse et la technique énergétique durable. Les études futures devront observer la formation des particules avec une résolution temporelle et combiner les données expérimentales avec des simulations numériques.
La thèse de doctorat de Maximilian Spellauge, intitulée Laser-based Nanoparticle Generation in Liquids : Mechanistic Insights for Advancing Size Control and Process Efficiency, a été soutenue à l'Université de Munich (HM) en tant que doctorat coopératif par le professeur Heinz P. Huber (HM), le professeur Stephan Barcikowski de l'Université de Duisburg-Essen (UDE) et le docteur Anton Plech du Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Le travail a été réalisé en coopération avec l'Université de Duisburg-Essen (UDE), et plus particulièrement avec le Technical Chemistry and Center of Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE). Le Dr Maximilian Spellauge travaille à la HM en tant que post-doctorant.
Le 23 avril 2026, le Dr Maximilian Spellauge a reçu le prix Oskar von Miller de l'université de Munich pour le meilleur doctorat.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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