Produrre nanoparticelle in modo più efficiente con il laser
Chiarita sperimentalmente la produzione di nanoparticelle con il laser e raggiunto un nuovo record di produttività
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Le nanoparticelle sono particelle minuscole, circa mille volte più piccole del diametro di un capello umano. Esse svolgono un ruolo fondamentale in settori quali la catalisi, la tecnologia energetica e l'imaging biomedico. Il dottor Maximilian Spellauge, ex allievo della HM, ha scritto la sua tesi di laurea presso l'Università di Duisburg-Essen nell'ambito di un dottorato di ricerca in cooperazione con l'Università di Scienze Applicate di Monaco (HM), in cui ha studiato sistematicamente i fondamenti dei processi di produzione basati sul laser. Ha ottenuto due risultati rivoluzionari: La massima produttività specifica di potenza raggiungibile per l'ablazione laser in un liquido è di 75 milligrammi per ora e watt per l'oro, quasi quattro volte superiore al precedente valore record di 21 mg/h/W. Per la suddivisione di singole microparticelle in altre più piccole, Spellauge ha raggiunto addirittura 720 mg/h/W, quasi un intero ordine di grandezza in più.
Dal singolo impulso all'immagine complessiva: indagine sistematica in condizioni controllate
Spellauge ha condotto esperimenti mirati con il laser a singolo impulso per escludere qualsiasi influenza di disturbo dovuta alla formazione di bolle o di particelle già generate. Sono state studiate l'ablazione dell'oro nel liquido e la frammentazione di singole microparticelle d'oro nel liquido. Le misure della trasmissione e della riflessione della luce hanno fornito informazioni precise sull'energia assorbita. Utilizzando la microscopia a pompa, un metodo che visualizza i processi in un intervallo di tempo compreso tra i picosecondi e i millisecondi, ha seguito l'intero processo di interazione laser-materia.
Due strade, un unico obiettivo: un confronto tra i meccanismi di formazione delle nanoparticelle
Spellauge ha dimostrato due meccanismi di formazione nell'ablazione dell'oro in un liquido: Il materiale vaporizzato si condensa in particelle molto piccole, inferiori a dieci nanometri; la disintegrazione di uno strato superficiale dissolto meccanicamente produce particelle più grandi, dell'ordine di diverse decine di nanometri. L'efficienza nel liquido è inferiore di un fattore quattro rispetto all'ablazione in aria, perché parte del materiale ablato ricade. La durata dell'impulso più efficiente in questo processo è compresa tra 10 picosecondi e 1 nanosecondo.
Spellauge ha identificato tre meccanismi per la frammentazione di singole microparticelle d'oro: in primo luogo, la cosiddetta esplosione di fase fototermica, in cui le particelle del materiale passano improvvisamente allo stato gassoso, la successiva spallazione, quando le particelle d'oro si sfaldano, e la focalizzazione a pressione. In quest'ultimo caso, la sovrapposizione di onde di pressione porta a un aumento locale della pressione nella particella, che favorisce la sua frammentazione in pezzi più grandi. Circa il due per cento dell'energia assorbita è stata convertita in nuove superfici di particelle, rispetto ad appena lo 0,1 per cento quando sono stati ablati corpi solidi. "I risultati dimostrano che la frammentazione di singole particelle è molto più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all'ablazione di un solido in un liquido. Allo stesso tempo, diventa chiaro quali meccanismi fisici determinano la dimensione delle particelle e come possiamo influenzarli in modo specifico in futuro", spiega il ricercatore.
Produzione sostenibile di nanoparticelle: applicazioni nella catalisi e nella tecnologia energetica
I risultati offrono punti di partenza concreti per l'ottimizzazione del processo: nel caso dell'ablazione in liquido, la suddivisione dell'impulso o la durata prolungata dell'impulso del laser aumentano la produttività e migliorano la distribuzione delle dimensioni delle particelle. Nella frammentazione, anche la modellazione spaziale e la suddivisione del fascio laser portano a una maggiore produttività e a una regolazione più mirata della distribuzione granulometrica. I processi basati sul laser non richiedono additivi chimici e sono conformi ai principi della chimica verde. Spellauge vede campi di applicazione soprattutto nella catalisi e nella tecnologia energetica sostenibile. Gli studi futuri dovranno osservare la formazione delle particelle in modo risolto nel tempo e combinare i dati sperimentali con le simulazioni numeriche.
La tesi di laurea, intitolata Generazione di nanoparticelle nei liquidi mediante laser: approfondimenti meccanici per migliorare il controllo delle dimensioni e l'efficienza del processo, è stata supervisionata da Maximilian Spellauge presso l'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera (HM) come dottorato in cooperazione con il Prof. Dr. Heinz P. Huber (HM), il Prof. Dr. Stephan Barcikowski dell'Università di Duisburg-Essen (UDE) e il Dr. Anton Plech dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT). Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'Università di Duisburg-Essen (UDE), in particolare presso il Centro di Chimica Tecnica e Nanointegrazione di Duisburg-Essen (CENIDE). Il dott. Maximilian Spellauge è ricercatore post-dottorato presso HM.
Il 23 aprile 2026, il dottor Maximilian Spellauge ha ricevuto il Premio Oskar von Miller dell'Università di Scienze Applicate di Monaco per il miglior dottorato.
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