Nhóm nghiên cứu do Leonid Zhigilei, Trường đại học Virginia (UVA), đã sử dụng siêu máy tính Titan 27 petaflop để mô hình hóa sự tương tác giữa các xung laser ngắn và các mục tiêu kim loại ở quy mô nguyên tử. Được gọi là cắt đốt bằng laser, quá trình này bao gồm chiếu xạ kim loại bằng chùm tia laser để loại bỏ có chọn lọc các lớp vật liệu, làm thay đổi cấu trúc bề mặt, hoặc hình thái và tạo ra các hạt nano của mục tiêu.
Lần theo các đầu mối

Để phân biệt giữa các nguồn hạt nano được phân loại là nhỏ (dưới 10 nanomet) và lớn (10 nanomet trở lên), nhóm nghiên cứu đã thực hiện một loạt mô phỏng động lực phân tử trên siêu máy tính Titan, mô hình hóa các mục tiêu là kim loại bạc và vàng trong nước được chiếu xạ bằng tia laser. Những kim loại này ổn định, trơ và không phản ứng tích cực với môi trường xung quanh, ngoài ra bạc còn có đặc tính kháng khuẩn hữu ích
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng các hạt nano nhỏ có nhiều khả năng hình thành từ sự ngưng tụ hơi kim loại được làm lạnh nhanh chóng thông qua tương tác của nó với hơi nước, trong khi đó các hạt lớn có thể xuất hiện khi mất ổn định thủy động lực, là dòng chảy không ổn định của chất lỏng này qua một chất lỏng khác có mật độ khác , làm cho kim loại tan rã.

Trong quá trình cắt, tia laser phát ra một phần quá nhiệt trên bề mặt mục tiêu kim loại, dẫn đến sự phân hủy bùng nổ của vùng đó, tạo thành hỗn hợp hơi và các giọt chất lỏng nhỏ. Hỗn hợp nóng này sau đó được đẩy ra khỏi mục tiêu được chiếu xạ, tạo thành vết cắt bỏ. Đây được biết đến như là vụ nổ pha hoặc "sôi bùng nổ", hiện tượng này đã được nghiên cứu rộng rãi trong việc cắt đốt bằng laser trong chân không.
Tuy nhiên, khi quá trình cắt diễn ra trong môi trường lỏng, sự tương tác của quá trình cắt với nước xung quanh làm phức tạp quá trình bằng cách làm chậm quá trình cắt, dẫn đến sự hình thành lớp kim loại nóng đẩy vào nước.
Sự tương tác này có thể kích hoạt sự thành công nhanh chóng của sự mất ổn định thủy động lực trong lớp kim loại nóng chảy, khiến nó tan rã một phần hoặc hoàn toàn và tạo ra các hạt nano lớn.
Khi bật đèn dung nham, chất lỏng nặng nằm trên chất lỏng nhẹ, nhưng sau đó nó bắt đầu chảy dưới tác dụng của gia tốc trọng trường và tạo ra một số mô hình dòng chảy và hình thành hạt, điều tương tự xảy ra với sự cắt bằng laser, lớp kim loại nóng nặng bị giảm tốc nhanh chóng bởi nước, tạo ra sự mất ổn định thủy động lực ở giao diện nước kim loại tạo ra các hạt nano lớn.

 
Nhóm nghiên cứu cũng đã quan sát sự chuyển động của các nguyên tử riêng lẻ để ngoại suy thông tin hữu ích liên quan đến cả hai cách tạo ra hạt nano. Họ đã xoay vòng từ các nguyên tử ở quy mô nhỏ hơn một nanomet đến hàng trăm nanomet, điều này đòi hỏi phải giải phương trình cho hàng trăm triệu nguyên tử trong các mô phỏng, công việc này chỉ có thể có trên các siêu máy tính lớn như Titan. 

Cả hai quá trình dẫn đến việc tạo ra hạt nano đều diễn ra trong một "buồng phản ứng" được gọi là bong bóng tạo bọt, kết quả từ sự tương tác giữa quá trình cắt đốt nóng và môi trường chất lỏng. Bằng cách nghiên cứu thời gian tồn tại của bong bóng từ đầu đến cuối, các nhà khoa học có thể xác định loại hạt nano nào xuất hiện ở các giai đoạn nhất định.

Chiếu xạ một mục tiêu kim loại trong nước bằng các xung laser tạo ra môi trường nóng dẫn đến sự hình thành, giãn nở và vỡ của một bong bóng lớn tương tự như các vật thể được tạo ra bởi sự sôi thông thường. Bất kỳ quá trình tạo hạt nano nào cũng xảy ra hoặc trong bong bóng hoặc trong giao diện giữa vết cắt bỏ và bề mặt của bong bóng.

Các thí nghiệm hình ảnh bổ sung được thực hiện tại Trung tâm Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) đã xác nhận kết quả tính toán của nhóm nghiên cứu bằng cách chứng minh sự tồn tại của các hạt siêu nhỏ chứa hạt nano hình thành xung quanh bong bóng tạo bọt chính.
Các nhà nghiên cứu của CENIDE cũng đã thực hiện các video chứng minh việc tạo ra các hạt nano vàng và hiển thị mục tiêu vàng được ngâm trong buồng cắt chất lỏng.

Kế hoạch cải tiến chi tiết

Theo truyền thống, các nhà khoa học đã dựa vào các kỹ thuật tổng hợp để tạo ra các hạt nano một cách hiệu quả thông qua một chuỗi các phản ứng hóa học. Mặc dù quá trình này cho phép kiểm soát chính xác kích thước hạt nano, ô nhiễm hóa học có thể ngăn các vật liệu kết quả hoạt động đúng. Cắt bằng laser tránh được các nhược điểm này bằng cách tạo ra các hạt nano cao cấp, sạch trong khi có thể đúc kim loại thành các cấu hình phù hợp hơn.

Cắt bằng laser tạo ra một dung dịch hạt nano hoàn toàn sạch mà không sử dụng bất kỳ hóa chất nào khác, và những vật liệu nguyên sơ này là lý tưởng cho các ứng dụng y sinh. Kết quả tính toán của các nhà nghiên cứu có thể giúp mở rộng quy trình này và cải thiện năng suất để quá trình cắt cuối cùng có thể cạnh tranh với quá trình tổng hợp hóa học về số lượng hạt nano được sản xuất.

Việc tìm ra nguồn gốc của sự khác biệt về kích thước sẽ mở đường cho một tương lai nơi các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa quá trình cắt đốt bằng laser để kiểm soát kích thước của các hạt nano sạch, khiến chúng rẻ hơn và sẵn sàng hơn cho các mục đích y sinh tiềm năng như tiêu diệt tế bào ung thư.
Thành tựu này cũng cho thấy những lợi ích của công nghệ laser trong khi thực hiện các bước để khám phá các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến kết quả của sự tương tác giữa xung laser và kim loại. Kiến thức này có thể dẫn đến những bước tiến lớn trong nghiên cứu hạt nano của nhóm nghiên cứu, cũng như những tiến bộ trong cắt laser và các kỹ thuật liên quan, từ đó sẽ cho phép giải thích chính xác hơn các dữ liệu hiện có.