Produção de nanopartículas mais eficiente por laser
Esclarecimento experimental da produção de nanopartículas com base em laser e obtenção de um novo recorde de produtividade
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As nanopartículas são partículas minúsculas que são cerca de mil vezes mais pequenas do que o diâmetro de um cabelo humano. Desempenham um papel fundamental em áreas como a catálise, a tecnologia energética e a imagiologia biomédica. O Dr. Maximilian Spellauge, ex-aluno da HM, escreveu a sua dissertação na Universidade de Duisburg-Essen, no âmbito de um doutoramento em cooperação com a Universidade de Ciências Aplicadas de Munique (HM), na qual investigou sistematicamente os fundamentos dos processos de fabrico baseados em laser. Obteve dois resultados inovadores: A produtividade máxima alcançável específica da potência para a ablação a laser em líquido é de 75 miligramas por hora e watt para o ouro, quase quatro vezes superior ao valor recorde anterior de 21 mg/h/W. Para a divisão de micropartículas individuais em partículas mais pequenas, a Spellauge atingiu mesmo 720 mg/h/W, quase uma ordem de grandeza superior.
Do impulso individual à imagem global: investigação sistemática em condições controladas
A Spellauge efectuou experiências com laser de impulso único para excluir quaisquer influências perturbadoras da formação de bolhas ou de partículas que já tivessem sido geradas. Foram investigadas a ablação de ouro em líquido e a fragmentação de micropartículas individuais de ouro em líquido. As medições da transmissão e reflexão da luz forneceram informações precisas sobre a energia absorvida. Utilizando a microscopia de bomba-sonda, um método que visualiza processos no intervalo de tempo de picossegundos a milissegundos, acompanhou todo o processo de interação laser-matéria.
Dois caminhos, um objetivo: uma comparação dos mecanismos de formação de nanopartículas
Spellauge demonstrou dois mecanismos de formação na ablação de ouro em líquido: O material vaporizado condensa-se em partículas muito pequenas, com menos de dez nanómetros; a desintegração de uma camada superficial dissolvida mecanicamente produz partículas maiores, na ordem das várias dezenas de nanómetros. A eficiência no líquido é inferior por um fator de quatro em comparação com a ablação no ar, porque uma parte do material ablacionado cai para trás. As durações de impulso mais eficientes neste processo situam-se entre 10 picossegundos e 1 nanossegundo.
Spellauge identificou três mecanismos para a fragmentação de micropartículas de ouro individuais: em primeiro lugar, a chamada explosão de fase fototérmica, em que as partículas do material mudam subitamente para um estado gasoso, a subsequente fragmentação à medida que as partículas de ouro se desprendem e a focalização por pressão. Neste último caso, a sobreposição de ondas de pressão leva a um aumento local da pressão na partícula, o que favorece a sua fragmentação em pedaços maiores. Cerca de dois por cento da energia absorvida foi convertida em novas superfícies de partículas, em comparação com apenas 0,1 por cento quando os corpos sólidos foram ablacionados. "Os resultados mostram que a fragmentação de partículas individuais é muito mais eficiente em termos energéticos do que a ablação de um sólido num líquido. Ao mesmo tempo, torna-se claro quais os mecanismos físicos que determinam o tamanho das partículas - e como podemos influenciá-los especificamente no futuro", diz o investigador.
Produção sustentável de nanopartículas: aplicações em catálise e tecnologia energética
Os resultados oferecem pontos de partida concretos para a otimização do processo: no caso da ablação em líquido, a divisão de impulsos ou a duração prolongada dos impulsos do laser aumentam a produtividade e melhoram a distribuição do tamanho das partículas. Na fragmentação, a modelação espacial e a divisão do feixe de laser também conduzem a uma maior produtividade e a um ajuste mais direcionado da distribuição do tamanho das partículas. Os processos baseados em laser não requerem quaisquer aditivos químicos e cumprem os princípios da química verde. A Spellauge vê campos de aplicação principalmente na catálise e na tecnologia de energia sustentável. Estudos futuros deverão observar a formação de partículas de forma resolvida no tempo e combinar dados experimentais com simulações numéricas.
A dissertação intitulada Laser-based Nanoparticle Generation in Liquids: Mechanistic Insights for Advancing Size Control and Process Efficiency foi supervisionada por Maximilian Spellauge na Universidade de Ciências Aplicadas de Munique (HM) como um doutoramento cooperativo pelo Prof. Dr. Heinz P. Huber (HM), Prof. Dr. Stephan Barcikowski da Universidade de Duisburg-Essen (UDE) e Dr. Anton Plech do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT). O trabalho foi efectuado em cooperação com a Universidade de Duisburg-Essen (UDE), em particular no Centro de Química Técnica e Nanointegração de Duisburg-Essen (CENIDE). O Dr. Maximilian Spellauge é um investigador de pós-doutoramento na HM.
Em 23 de abril de 2026, o Dr. Maximilian Spellauge recebeu o Prémio Oskar von Miller da Universidade de Ciências Aplicadas de Munique para o melhor doutoramento.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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