Оптическое осаждение наночастиц в плотных наносуспензиях
И.Н. Егоршин1, В.И. Иванов2
1 ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет»
2 ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный университет путей сообщений»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.052
Краткое сообщение
Аннотация: Исследование профилей концентрации, вызванных осаждением, является эффективным способом получения уравнения состояния коллоидной суспензии, изучения тонких деталей фазовой диаграммы и получения сведений о природе метастабильных фаз. Оптические методы осаждения обладают рядом преимуществ перед гравитационным методом или центрифугированием. В частности, эффективный метод осаждения в прозрачных наносуспензиях обеспечивает использование светового давления. В случае наночастиц сила давления света может на порядки превосходить гравитационные даже при использовании источников непрерывного излучения. Расчет концентрационного профиля для достаточно высоких интенсивностей излучения, когда объемная доля наночастиц на дне кюветы может достигать единицы, требует учета взаимодействия (отталкивания) наночастиц. В работе рассмотрена простейшая модель для учета конечного объёма нанофазы – модель жестких сфер. В результате аналитического решения задачи о светоиндуцированном массопереносе получено выражение, позволяющее рассчитать стационарный профиль концентрации. Предложенная модель демонстрирует необходимость учета конечного объёма наночастиц при расчете параметров оптического осаждения в плотных наносуспензиях при высоких (надтепловых) интенсивностях излучения. Полученные результаты представляют интерес для разработки новых методов получения наноматериалов, фотонных кристаллов и химических сенсоров, а также для совершенствования методов оптической диагностики наноматериалов.
Ключевые слова: осаждение наночастиц, давление света, наносуспензии, седиментационный профиль, модель жестких сфер, фотонные кристаллы, оптическая диагностика
- Егоршин Иван Николаевич – старший преподаватель высшей школы физико-математических наук, ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет»
- Иванов Валерий Иванович – д.ф.-м.н., профессор кафедры физики и теоретической механики, ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный университет путей сообщений»
Ссылка для цитирования:
Егоршин, И.Н. Оптическое осаждение наночастиц в плотных наносуспензиях / И.Н. Егоршин, В.И. Иванов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 052-058. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.052. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Buzzaccaro, S. Kinetics of sedimentation in colloidal suspensions / S. Buzzaccaro, A. Tripodi, R. Rusconi et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2008. – V. 20. – № 49. – Art. № 494219. – 9 p. DOI: 10.1088/0953-8984/20/49/494219.
2. Anghel, S. Optical studies on sedimentation of suspensions / S. Anghel, I. Iova, S. Levai et al. // Proceedings of the SPIE. – 1998. – V. 3405. – P. 1027-1031. DOI: 10.1117/12.312708.
3. Debora, J.D. Thermoresponsive photonic crystals / J.D. Debora, L.A. Lyon // The Journal of Physical Chemistry B. – 2000. – V. 104. – I. 27. – P. 6327-6331. DOI: 10.1021/jp001238c.
4. Duhr, S. Two-dimensional colloidal crystals formed by thermophoresis and convection / S. Duhr, D. Braun // Applied Physics Letters. – 2005. – V. 86. – I. 23. – P. 131921-1-131921-3. DOI: 10.1063/1.1888036.
5. Dietze, M. Laser-induced motion in nanoparticle suspension droplets on a surface / M. Dietze, D. Poulikakos // Physics of Fluids. – 2005. – V. 17. – I. 10. – P. 102106-1-102106-12. DOI: 10.1063/1.2098587.
6. Bieri, N.R. Microstructuring by printing and laser curing of nanoparticle solutions/ N. R. Bieri, J. Chung, S. E. Haferl et al. // Applied Physics Letters. – 2003. – V. 82. – I. 20. – P. 3529-3531. DOI: 10.1063/1.1575502.
7. Ta, V.D. Dynamically controlled deposition of colloidal nanoparticle suspension in evaporating drops using laser radiation / V.D. Ta, R.M. Carter, E. Esenturk et al. // Soft Matter. – 2016. – V. 12. – I. 20. – P. 4530-4536. DOI: 10.1039/c6sm00465b.
8. Wang, L.-G. Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on Rayleigh dielectric sphere / L.-G. Wang, C.-L. Zhao // Optics Letters. –2007. – V. 15. – I. 17. – P. 10615-10621. DOI: 10.1364/OE.15.010615.
9. Quidant, R. Radiation forces on a Rayleigh dielectric sphere in a patterned optical near field / R. Quidant, D. Petrov, G. Badenes // Optics Letters. – 2005. – V. 30. – I. 9. – P. 1009-1011. DOI: 10.1364/ol.30.001009.
10. Deng, J.L. Numerical modeling of optical levitation and trapping of the «stuck» particles with a pulsed optical tweezers / J. L. Deng, Q. Wei, Y. Z. Wang, Y. Q. Li// Optics Express. – 2006. – V. 13. – I. 10. – P. 3673-3680. DOI: 10.1364/OPEX.13.003673.
11. Свистун, А.Ч. Перемещение и локализация наночастиц в идеальной жидкости под действием градиентной силы светового давления / А.Ч. Свистун, Э.В. Мусафиров, Л.С. Гайда, Е.В. Матук // Проблемы физики, математики и техники. – 2024. – № 1 (58). – С. 44-49. DOI: 10.54341/20778708_2024_1_58_44.
12. Иванов, В.И. Сепарация частиц в полидисперсной наносуспензии в поле лазерного излучения / В.И. Иванов, С.А. Пячин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. –С. 146-155. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.146.
13. Ivanova, G. Light-induced sedimentation in nanoliquids / G. Ivanova, V. Khe, V. Ivanov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – V. 1115. – I. 3. – Art. № 032086. – 4 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1115/3/032086.
14. Иванов, В.И. Осаждение наночастиц под действием сил светового давления в жидких средах / В.И. Иванов, Г.Д. Иванова, В.И. Крылов, В.К. Хе // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2018. – Вып. 10. – С. 286-290. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.286.
15. Khe, V.K. Sedimentation of particles by the light pressure in nanosuspension / V.K. Khe, V.I. Ivanov, G.D. Ivanova, P.G. Chigrin // 23rd International symposium on atmospheric and ocean optics, atmospheric physics: proceedings, 3-7 July 2017, Irkutsk, Russian Federation. – Washington: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. – 2017. – V. 10466. – Art. № 104664K. - 7 p. DOI: 10.1117/12.2288774.
16. Ivanov, V.I. Diagnostics of nanosuspension by the light-induced pseudo-prism method / V.I. Ivanov, G.D. Ivanova, V. I. Krylov, V. K. Khe // Proceedings of the SPIE. – 2016. – V. 10176. – P. 1017607-1-1017607-8. DOI: 10.1117/12.2268280.
17. Vigolo, D. Thermophoresis: microfluidics characterization and separation / D. Vigolo, R. Rusconi, H.A. Stone, R. Piazza // Soft Matter. – 2010. – V. 6. – I. 15. – P. 3489-3493. DOI: 10.1039/C002057E.
18. Иванов, В.И. Модуляционный метод светоиндуцированной псевдо-призмы в наносуспензии / В.И. Иванов, И.Н. Егоршин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 134-139. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.134.