レーザー照射による光熱効果を利用した局所反応制御とナノ・マイクロ構造作製への応用

利用激光照射的光热效应控制局部反应及其在纳米/微米结构制造中的应用

基本信息

批准号：
16J01715
负责人：
瀬戸浦健仁
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、光学顕微鏡観察下にて金属イオン溶液に還元反応を起こす紫外レーザーと、光熱酸化を誘起する近赤外レーザーを同時照射することで単分散なナノ粒子を作製することである。紫外レーザーの照射のみでも金属ナノ構造の作製は可能であるが、制御性に困難がある。高強度の近赤外レーザー照射は、光熱変換によって局所的な温度上昇を引き起こすためナノ構造を酸化溶解させるか、もしくは溶液中に制御された熱対流を駆動するので、局所反応制御に新たな自由度を与える。2種類のレーザーの強度比を変化させることで、局所反応場における酸化・還元反応の比率および対流を制御し、単分散なナノ粒子を作製する方法を確立する。本年度ではまず、対流の制御法の検討および金属イオンの光還元における反応機構の解明の2点に取り組んだ。一般的に、局所的な温度勾配に誘起されるのは浮力に駆動される自然対流だが、金属ナノ粒子に高強度な近赤外レーザーを照射するとナノスケールのバブルが形成することがあるため、表面張力の寄与するマランゴニ対流も反応制御に利用できる。本年度の前半は光熱変換に誘起されるナノ・マイクロスケールの対流について種々の実験と数値シミュレーションを行い、自然対流とマランゴニ対流の寄与の割合を解明することで、決定的な対流の制御パラメーターを見出した(Nanoscale, 2017, 9, 719)。他方で溶液中の金属イオンに紫外－可視光を照射した際の光還元反応の機構には未解明な点が多く、ナノ構造作製の方法論を確立する上での大きな問題となることが想定された。そこで本年度の後半では、還元に用いるレーザーの波長・強度などを変数として実験を行ったところ、光還元の反応機構をほぼ特定することに成功した。こちらについては現在論文投稿中である。

这项研究的目的是通过同时用引起还原反应的紫外激光和在光学显微镜下诱导光热氧化的近红外激光照射金属离子溶液来制造单分散纳米颗粒。尽管仅使用紫外激光照射就可以制造金属纳米结构，但可控性很困难。高强度近红外激光照射可以通过光热转换引起局部温度升高，导致纳米结构的氧化溶解，或者驱动受控的热对流进入溶液，从而为局部反应控制提供新的自由度。通过改变两种类型激光的强度比，我们将建立一种通过控制局部反应场中氧化/还原反应和对流的比例来制造单分散纳米颗粒的方法。今年，我们首先做了两点工作：研究对流控制方法和阐明金属离子光还原的反应机理。一般来说，浮力驱动的自然对流是由局部温度梯度引起的，但当金属纳米粒子受到高强度近红外激光照射时，表面张力引起的纳米级马兰戈尼对流也可以用来控制反应。今年上半年，我们对光热转换引起的纳米和微米尺度对流进行了各种实验和数值模拟，通过阐明自然对流和马兰戈尼对流的贡献比例，我们发现了决定性的对流控制参数（纳米尺度，2017, 9, 719）。另一方面，溶液中的金属离子受到紫外-可见光照射时的光还原反应的机理仍有许多未知点，这预计将成为建立纳米结构制造方法的主要问题。因此，今年下半年，他们利用用于还原的激光的波长和强度等变量进行了实验，并能够在很大程度上确定光还原的反应机制。目前正在提交有关该主题的论文。