一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺、安裝于所述載物臺上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組。本發(fā)明還提供了采用所述裝置制備納米顆粒的方法，該方法能夠制備高純度、粒徑均勻的納米顆粒，而且不存在兼容性問題。
【專利說明】一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米顆粒制備裝置及方法，具體涉及一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料是一種應(yīng)用十分廣泛的新型材料，與常規(guī)材料不同，納米材料表現(xiàn)出的表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等獨特的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)特性，在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。納米顆粒的制備方法對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能有重要的影響，因此研究新型納米顆粒制備方法具有重要的意義。
[0003]目前，納米顆粒的制備方法主要包括物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法等三大類。物理制備方法主要包括真空冷凝法、物理粉碎法和機(jī)械球磨法，其中物理粉碎法和機(jī)械球磨法雖然操作簡單，但是所制備的納米顆粒純度低，顆粒分布不均勻。化學(xué)制備方法主要包括固相法、氣相法和液相法，其中氣相法雖然可以制造出純度高、顆粒分布性好的納米顆粒，但是對一些材料(如金屬碳化物)納米顆粒的制備存在局限性，并且設(shè)備成本相對較高。
[0004]目前，應(yīng)用比較廣泛的納米顆粒制備方法為化學(xué)反應(yīng)，其形式多種多樣，主要包括水熱法、水解法、化學(xué)沉淀法和化學(xué)還原法等。其核心主要是通過化學(xué)反應(yīng)所生成的產(chǎn)物來制備納米顆粒，由于其操作較簡單、成本較低，通用性很高，因此在很多領(lǐng)域上有一定的應(yīng)用。
[0005]利用化學(xué)反應(yīng)來制備納米顆粒，納米顆粒的純度要求越高，顆粒分布要求越均勻，其對化學(xué)反應(yīng)條件的控制要求越高，從而對設(shè)備的要求也會相應(yīng)的提高，導(dǎo)致成本增加。同時，由于該法所產(chǎn)生的污染主要來源于反應(yīng)產(chǎn)物，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，存在一些兼容性的問題，也限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置；另外，本發(fā)明還提供采用所述裝置制備納米顆粒的方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案:一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺、安裝于所述載物臺上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組。
[0008]激光束和透鏡組組成光路系統(tǒng)，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點位置可調(diào)，實現(xiàn)空化泡的大小和形成位置，等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波、沖擊波、水射流的產(chǎn)生和強度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制納米顆粒的純度和粒徑均勻性。高透玻璃覆蓋于工作液上方，有效地避免了激光在液面發(fā)生空化，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過高透玻璃，激光能量更加有效地作用于基底材料，同時也增加了空化過程的強度，提高了納米顆粒的制備效率。[0009]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置的優(yōu)選實施方式，所述透鏡組的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束的激光器。
[0010]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置的優(yōu)選實施方式，所述容器安裝于三維精密移動平臺上。
[0011]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置的優(yōu)選實施方式，所述三維精密移動平臺的X軸、Y軸和z軸的最小分辨率均為0.1微米。
[0012]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置的優(yōu)選實施方式，所述工作液為水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液優(yōu)選但不限于水、甘油或水和甘油的混合液，可以通過改變工作液的類型(如水、甘油、水和甘油混合液等)來改變其性質(zhì)(如粘性)，進(jìn)一步研究空化泡的動力學(xué)特性(等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波、沖擊波、水射流)對納米顆粒制備的影響，以便生產(chǎn)純度更高、粒徑更均勻的納米顆粒。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及實際情況，選擇合適的其他類型的液體作為工作液。
[0013]本發(fā)明還提供一種采用如上所述裝置制備納米顆粒的方法，所述方法包括以下步驟:
[0014](I)將激光束通過透鏡組和高透玻璃聚焦于基底材料上，使基底材料迅速溶解，并且在聚焦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體和等離子體沖擊波；
[0015](2)步驟(I)產(chǎn)生的等離子體和等離子體沖擊波共同作用于基底材料上，產(chǎn)生納米顆粒；
[0016](3)同時，步驟(I)中焦點位置形成空化泡，隨著空化泡生長，溶解材料逸散到空化泡中,在空化泡中形成納米顆粒；
[0017](4)當(dāng)步驟(3)中空化泡生長到一定程度時，發(fā)生潰滅，并且伴隨有沖擊波和水射流的產(chǎn)生，沖擊波和水射流沖擊基底材料，會再一次產(chǎn)生納米顆粒，同時潰滅的空化泡中的納米顆粒沉積在基底材料表面；
[0018](5)收集上述步驟中產(chǎn)生的納米顆粒。
[0019]本發(fā)明所述制備方法是利用激光聚焦于工作液中，且焦點聚焦在基底材料上，由于激光能量作用在基底材料上，使材料迅速溶解，金屬材料及其焦點附近的水將通過逆韌致輻射吸收激光能量，在經(jīng)歷了氣化和電離擊穿后，聚焦區(qū)內(nèi)將產(chǎn)生高溫高壓等離子體，伴隨有等離子體沖擊波產(chǎn)生，兩者共同作用，對基底材料表面進(jìn)行沖擊強化，產(chǎn)生納米顆粒。同時，在焦點位置會形成空化泡，隨著空化泡生長，溶解材料會逸散到空化泡中，在空化泡中形成納米顆粒。當(dāng)空化泡生長到一定程度時，會發(fā)生潰滅，并且伴隨有沖擊波和水射流的產(chǎn)生，沖擊波和水射流沖擊基底材料，會再一次產(chǎn)生納米顆粒。隨著空化泡的不斷振蕩，其能量逐步減少，最終破裂，其包裹的納米顆粒沉積在基底材料表面，通過有效地收集，可以達(dá)到制備納米顆粒的目的。
[0020]作為本發(fā)明所述制備納米顆粒方法的優(yōu)選實施方式，所述方法還包括以下步驟:在完成步驟(4)后，控制三維精密移動平臺的運動，實現(xiàn)激光束在基底材料平面上的掃描，在整個基底材料上制備納米顆粒，然后再進(jìn)行步驟(5)。由于基底材料安裝于載物臺的上方，整個容器安裝于三維精密移動平臺上，三維精密移動平臺的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。通過控制三維精密移動平臺的運動，可以實現(xiàn)激光在基底材料平面上的掃描，以更加有效制備納米顆粒。[0021]最后，本發(fā)明還提供一種采用如上所述方法制備得到的納米顆粒。采用上述方法制備得到的納米顆粒具有純度高、粒徑均勻的優(yōu)點。
[0022]本發(fā)明通過激光在工作液中聚焦，使基底材料溶解，同時形成空化泡，空化過程產(chǎn)生的等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波和空化泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和水射流沖擊材料，形成納米顆粒。
[0023]本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可用于快速高效的制備純度高、粒徑均勻的納米顆粒。本發(fā)明所述納米顆粒制備方法，利用激光聚焦于水中，使其對材料進(jìn)行溶解，同時產(chǎn)生空化泡，空化過程產(chǎn)生的等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波，空化泡生長直至潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和水射流沖擊基底材料，形成納米顆粒，由于沒有其他雜質(zhì)引入，從而可以制備出高純度的納米顆粒。同時，通過控制激光能量、脈沖頻率等工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)納米顆粒粒徑的均勻性；整個制備過程中基本沒有其它污染的引入，同時也沒有反應(yīng)產(chǎn)物的生成，而且工作液可以更換成不同類型，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因此不存在兼容性的問題。本發(fā)明所述納米顆粒，采用本發(fā)明所述制備方法制備而成，具有純度高、粒徑均勻的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置使用過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中:1為激光束，2為透鏡組，3為空化泡，4為水射流，5為基底材料，6為容器，7為高透玻璃，8為工作液，9為載物臺，10為三維精密移動平臺。
【具體實施方式】
[0026]為更好的說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027]本發(fā)明一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，如圖1所示，所述裝置包括盛裝有工作液8的容器6、設(shè)于所述工作液8中的載物臺9、安裝于所述載物臺9上的基底材料5、覆蓋于所述工作液8液面的高透玻璃7，所述高透玻璃7的上方設(shè)有用于通過激光束I的透鏡組2。
[0028]激光束I和透鏡組2組成光路系統(tǒng)，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點位置可調(diào)，實現(xiàn)空化泡3的大小和形成位置，等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波、水射流4的產(chǎn)生和強度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制納米顆粒的純度和粒徑均勻性。高透玻璃7覆蓋于工作液8上方，有效地避免了激光在液面發(fā)生空化，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過高透玻璃7，激光能量更加有效地作用于基底材料5，同時也增加了空化過程的強度，提高了納米顆粒的制備效率。
[0029]較佳地，所述透鏡組2的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束I的激光器(圖中未畫出)。所述激光器(圖中未畫出)發(fā)射的激光束I的激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點位置可調(diào)，從而實現(xiàn)空化泡3的大小和形成位置、等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波、水射流4的產(chǎn)生和強度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制納米顆粒的純度和粒徑均勻性。
[0030]較佳地，所述容器6安裝于三維精密移動平臺10上。更佳地，所述三維精密移動平臺10的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。由于基底材料5安裝與載物臺9的上方，當(dāng)整個容器6安裝于三維精密移動平臺10上，而且三維精密移動平臺10的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米時，通過控制三維精密移動平臺10的運動，可以實現(xiàn)激光在基底材料5平面上的掃描，以更加有效制備納米顆粒。
[0031]較佳地，所述工作液8為水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液8優(yōu)選但不限于水、甘油或水和甘油的混合液，可以通過改變工作液8的類型(如水、甘油、水和甘油混合液等)來改變其性質(zhì)(如粘性)，進(jìn)一步研究空化泡3的動力學(xué)特性(等離子體及其伴隨的等離子體沖擊波、沖擊波、水射流)對納米顆粒制備的影響，以便生產(chǎn)純度更高、粒徑更均勻的納米顆粒。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及實際情況，選擇合適的其他類型的液體作為工作液。
[0032]采用上述所述裝置制備納米顆粒時，所述方法包括以下步驟:
[0033](I)將激光束I通過透鏡組2和高透玻璃7聚焦于基底材料5上，使基底材料5迅速溶解，并且在聚焦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體和等離子體沖擊波；
[0034](2)步驟(I)產(chǎn)生的等離子體和等離子體沖擊波共同作用于基底材料5上，產(chǎn)生納米顆粒；
[0035](3)同時，步驟(I)中焦點位置形成空化泡3，隨著空化泡3生長，溶解材料逸散到空化泡3中，在空化泡3中形成納米顆粒；
[0036](4)當(dāng)步驟(3)中空化泡3生長到一定程度時，發(fā)生潰滅，并且伴隨有沖擊波和水射流4的產(chǎn)生，沖擊波和水射流4沖擊基底材料5，會再一次產(chǎn)生納米顆粒，同時潰滅的空化泡3中的納米顆粒沉積在基底材料5表面；
[0037](5)收集上述步驟中產(chǎn)生的納米顆粒。
[0038]上述制備方法是利用激光聚焦于工作液8中，且焦點聚焦在基底材料5上，由于激光能量作用在基底材料5上，使材料迅速溶解，金屬材料及其焦點附近的水將通過逆韌致輻射吸收激光能量，在經(jīng)歷了氣化和電離擊穿后，聚焦區(qū)內(nèi)將產(chǎn)生高溫高壓等離子體，伴隨有等離子體沖擊波產(chǎn)生，兩者共同作用，對基底材料5表面進(jìn)行沖擊強化，產(chǎn)生納米顆粒。同時，在焦點位置會形成空化泡3，隨著空化泡3生長，溶解材料會逸散到空化泡3中，在空化泡3中形成納米顆粒。當(dāng)空化泡3生長到一定程度時，會發(fā)生潰滅，并且伴隨有沖擊波和水射流4的產(chǎn)生，沖擊波和水射流4沖擊基底材料5，會再一次產(chǎn)生納米顆粒。隨著空化泡3的不斷振蕩，其能量逐步減少，最終破裂，其包裹的納米顆粒沉積在基底材料5表面，通過有效地收集，可以達(dá)到制備納米顆粒的目的。
[0039]較佳地，在完成步驟(4)后，控制三維精密移動平臺10的運動，實現(xiàn)激光束I在基底材料5平面上的掃描，在整個基底材料5上制備納米顆粒，然后再進(jìn)行步驟(5)。由于基底材料5安裝于載物臺9的上方，整個容器6安裝于三維精密移動平臺10上，三維精密移動平臺10的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。通過控制三維精密移動平臺10的運動，可以實現(xiàn)激光在基底材料5平面上的掃描，以更加有效制備納米顆粒。
[0040]采用上述方法制備得到的納米顆粒，具有純度高、粒徑均勻的優(yōu)點。
[0041]最后所應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，其特征在于，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺、安裝于所述載物臺上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組。
2.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，其特征在于，所述透鏡組的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束的激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，其特征在于，所述容器安裝于三維精密移動平臺上。
4.如權(quán)利要求3所述的基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，其特征在于，所述三維精密移動平臺的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。
5.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的納米顆粒制備裝置，其特征在于，所述工作液為水、甘油或水和甘油的混合液。
6.一種采用如權(quán)利要求1?5任一所述裝置制備納米顆粒的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將激光束通過透鏡組和高透玻璃聚焦于基底材料上，使基底材料迅速溶解，并且在聚焦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體和等離子體沖擊波； (2)步驟(I)產(chǎn)生的等離子體和等離子體沖擊波共同作用于基底材料上，產(chǎn)生納米顆粒; (3)同時，步驟(I)中焦點位置形成空化泡，隨著空化泡生長，溶解材料逸散到空化泡中，在空化泡中形成納米顆粒； (4)當(dāng)步驟(3)中空化泡生長到一定程度時，發(fā)生潰滅，并且伴隨有沖擊波和水射流的產(chǎn)生，沖擊波和水射流沖擊基底材料，會再一次產(chǎn)生納米顆粒，同時潰滅的空化泡中的納米顆粒沉積在基底材料表面； (5)收集上述步驟中產(chǎn)生的納米顆粒。
7.如權(quán)利要求6所述的制備納米顆粒方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟:在完成步驟(4)后，控制三維精密移動平臺的運動，實現(xiàn)激光束在基底材料平面上的掃描，在整個基底材料上制備納米顆粒，然后再進(jìn)行步驟(5)。
8.一種采用如權(quán)利要求6或7所述方法制備得到的納米顆粒。
【文檔編號】B82Y30/00GK103920884SQ201410172602
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】郭鐘寧, 黃詩彬, 黃志剛, 印四華, 鄧宇, 唐勇軍 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)