[发明专利]一种基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米颗粒制备装置及方法，具体涉及一种基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置及方法。

背景技术

纳米材料是一种应用十分广泛的新型材料，与常规材料不同，纳米材料表现出的表面效应、量子隧道效应、量子尺寸效应和介电限域效应等独特的力学、电磁学、光学特性，在生物医学、化学、材料等领域具有巨大的应用潜力。纳米颗粒的制备方法对纳米材料的微观结构和性能有重要的影响，因此研究新型纳米颗粒制备方法具有重要的意义。

目前，纳米颗粒的制备方法主要包括物理法、化学法和物理化学法等三大类。物理制备方法主要包括真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法，其中物理粉碎法和机械球磨法虽然操作简单，但是所制备的纳米颗粒纯度低，颗粒分布不均匀。化学制备方法主要包括固相法、气相法和液相法，其中气相法虽然可以制造出纯度高、颗粒分布性好的纳米颗粒，但是对一些材料(如金属碳化物)纳米颗粒的制备存在局限性，并且设备成本相对较高。

目前，应用比较广泛的纳米颗粒制备方法为化学反应，其形式多种多样，主要包括水热法、水解法、化学沉淀法和化学还原法等。其核心主要是通过化学反应所生成的产物来制备纳米颗粒，由于其操作较简单、成本较低，通用性很高，因此在很多领域上有一定的应用。

利用化学反应来制备纳米颗粒，纳米颗粒的纯度要求越高，颗粒分布要求越均匀，其对化学反应条件的控制要求越高，从而对设备的要求也会相应的提高，导致成本增加。同时，由于该法所产生的污染主要来源于反应产物，在生物医学领域，存在一些兼容性的问题，也限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置；另外，本发明还提供采用所述装置制备纳米颗粒的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案：一种基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置，所述装置包括盛装有工作液的容器、设于所述工作液中的载物台、安装于所述载物台上的基底材料、覆盖于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方设有用于通过激光束的透镜组。

激光束和透镜组组成光路系统，要求激光能量、脉冲频率、激光光斑大小和激光焦点位置可调，实现空化泡的大小和形成位置，等离子体及其伴随的等离子体冲击波、冲击波、水射流的产生和强度可控，以便通过优化工艺有效控制纳米颗粒的纯度和粒径均匀性。高透玻璃覆盖于工作液上方，有效地避免了激光在液面发生空化，减少了能量的损失，提高了能量的利用率。通过高透玻璃，激光能量更加有效地作用于基底材料，同时也增加了空化过程的强度，提高了纳米颗粒的制备效率。

作为本发明所述基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置的优选实施方式，所述透镜组的上方设有用于发射激光束的激光器。

作为本发明所述基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置的优选实施方式，所述容器安装于三维精密移动平台上。

作为本发明所述基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置的优选实施方式，所述三维精密移动平台的X轴、Y轴和Z轴的最小分辨率均为0.1微米。

作为本发明所述基于激光诱导空化的纳米颗粒制备装置的优选实施方式，所述工作液为水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液优选但不限于水、甘油或水和甘油的混合液，可以通过改变工作液的类型(如水、甘油、水和甘油混合液等)来改变其性质(如粘性)，进一步研究空化泡的动力学特性(等离子体及其伴随的等离子体冲击波、冲击波、水射流)对纳米颗粒制备的影响，以便生产纯度更高、粒径更均匀的纳米颗粒。本领域技术人员可根据现有技术及实际情况，选择合适的其他类型的液体作为工作液。

本发明还提供一种采用如上所述装置制备纳米颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光束通过透镜组和高透玻璃聚焦于基底材料上，使基底材料迅速溶解，并且在聚焦区内产生等离子体和等离子体冲击波；

(2)步骤(1)产生的等离子体和等离子体冲击波共同作用于基底材料上，产生纳米颗粒；

(3)同时，步骤(1)中焦点位置形成空化泡，随着空化泡生长，溶解材料逸散到空化泡中，在空化泡中形成纳米颗粒；

(4)当步骤(3)中空化泡生长到一定程度时，发生溃灭，并且伴随有冲击波和水射流的产生，冲击波和水射流冲击基底材料，会再一次产生纳米颗粒，同时溃灭的空化泡中的纳米颗粒沉积在基底材料表面；

(5)收集上述步骤中产生的纳米颗粒。