Влияние оптической микрокавитации на процессы фрагментации и дефрагментации агломератов углеродных наночастиц при воздействии наносекундных лазерных импульсов

Шамова А.А., Шандыбина Г.Д., Поляков В.Е., Беликов А.В.

Ссылка для цитирования:

Шамова А.А., Шандыбина Г.Д., Поляков Д.С., Беликов А.В. Влияние оптической микрокавитации на процессы фрагментации и дефрагментации агломератов углеродных наночастиц при воздействии наносекундных лазерных импульсов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 99–109. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-99-109

Shamova A.A., Shandybina G.D., Polyakov D.S., Belikov A.V. Influence of optical microcavitation on fragmentation and defragmentation processes of carbon nanoparticle agglomerates under the action of nanosecond laser pulses [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 99–109. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-99-109

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Нелинейный процесс трансформации агломератов наночастиц технического углерода в биологической жидкой среде под воздействием наносекундного лазерного излучения. Цель работы. Определение роли оптической микрокавитации в совокупности с накопительными эффектами в конкурентных процессах фрагментации и дефрагментации агломератов наночастиц технического углерода в жидкой среде при воздействии серии наносекундных лазерных импульсов ближнего инфракрасного диапазона. Метод. Оптическая микроскопия в сочетании с программной обработкой изображений фантомных образцов, облучённых в различных лазерных режимах. Основные результаты. Экспериментально установлен нелинейный вклад накопительного нагрева в структурные изменения агломератов наночастиц технического углерода. Обнаружена область параметров (количество лазерных импульсов, частота их следования), в которой осуществляется переход от процесса фрагментации к процессу дефрагментации. Предложены механизмы фрагментации и дефрагментации агломератов наночастиц технического углерода. Практическая значимость. Исследованные закономерности важны при оптимизации режимов лазерной обработки агломератов наночастиц технического углерода в жидких средах, в том числе и биологических.

Ключевые слова:

технический углерод, наносекундный лазерный импульс, агломерат, фрагментация, дефрагментация, микропузырьки, суспензия, накопительный нагрев

Благодарность:

работа поддержана Российским научным фондом, проект № 19-79-10208

Коды OCIS: 140.3390, 140.3615

Список источников:

1. Høgsberg T., Loeschner K., Löf D., Serup J. Tattoo inks in general usage contain nanoparticles // Br. J. Dermatol. 2011. V. 165. № 6. P. 1210–1218. https://doi. org/10.1111/j.1365-2133.2011.10561.x
2. Hong S., Carlson J., Lee H., Weissleder R. Bioorthogonal radiopaque hydrogel for endoscopic delivery and universal tissue marking // Adv. Healthc. Mater. 2016. V. 5. № 4. Р. 421–426. https://doi.org/10.1002/adhm. 201500780
3. Li J., Deng X., Wang L., Liu J., Xu K. Clinical application of carbon nanoparticles in lymphatic mapping during colorectal cancer surgeries: A systematic review and meta-analysis // Dig. Liver. Dis. 2020. V. 52. № 12. P. 1445–1454. https://doi.org/10.1016/j.dld.2020. 08.020
4. Hasan M.R., Herz J., Hermann D.M., Doeppner T.R. Intravascular perfusion of carbon black ink allows reliable visualization of cerebral vessels // J. Vis. Exp. 2013. V. 71. P. e4374. https://doi.org/10.3791/4374
5. Sengupta A., Gray M.D., Kelly S.C., Holguin S.Y., Thadhani N.N., Prausnitz M.R. Energy transfer mechanisms during molecular delivery to cells by laser-activated carbon nanoparticles // Biophys. J. 2017. V. 112. № 6. P. 1258–1269. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.02.007
6. Skandalakis G.P., Rivera D.R., Rizea C.D., Bouras A., Jesu Raj J.G., Bozec D., Hadjipanayis C.G. Hyperthermia treatment advances for brain tumors // Int. J. Hyperther. 2020. V. 37 № 2. P. 3–19. https://doi.org/10. 1080/02656736.2020.1772512.
7. IARC working group on the evaluation of carcinogenic risks to humans. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans: Carbon black, titanium dioxide and talc. Lyon: International Agency for Research on Cancer, 2010. 456 p.
8. Шубный А.Г., Жигарьков В.С., Юсупов В.И., Свиридов А.П. Лазерное обесцвечивание татуировок: новый подход // Квантовая электроника. 2021. Т. 51. №. 1. С. 8–16. https://doi.org/10.1070/QEL17484
Shubnyy A.G., Zhigarkov V.S., Yusupov V.I., Sviridov A.P. Laser bleaching of tattoos: a new approach // Quantum Elec. 2021. V. 51. №. 1. P. 8–16. https://doi. org/10.1070/QEL17484
9. Тучин В.В. Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике / Перевод с англ. Дербова В.Л. Под ред. Тучина В.В. / М.: Физматлит, 2012. 811 с.
Tuchin V.V. Tissue optics: Light scattering methods and instruments for medical diagnosis. Third ed. Bellingham: SPIE Press, 2015. 935 p.
10. Mansour K., Soileau M.J., Van Stryland E.W. Nonlinear optical properties of carbon-black suspensions (ink) // JOSA B. 1992. V. 9. № 7. P. 1100–1109. https:// doi.org/10.1364/JOSAB.9.001100
11. Chakravarty P. Photoacoustic drug delivery using carbon nanoparticles activated by femtosecond and nanosecond laser pulses // PhD (Chemical & Biomolecular Engineering) thesis. Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2009. 155 p.
12. Mukherjee S., Mishra P.C., Chaudhuri P. Stability of heat transfer nanofluids – a review // ChemBioEng. Rev. 2018. V. 5. № 5. P. 312–333. https://doi.org/ 10.1002/cben.201800008
13. Ko B., Lu W., Sokolov A.V., Lee H.W.H., Scully M.O., Zhang Z. Multi-pulse laser-induced bubble formation and nanoparticle aggregation using MoS2 nanoparticles // Sci Rep 2020. V. 10. № 1. Р. 15753. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72689-x
14. Электронный ресурс URL: https://www. worldfamoustattooink.com/pages/compliancecertificates (World Famous Tattoo Ink / Material safety data sheet: True black)
15. Duck F.A. Physical properties of tissues: a comprehensive reference book. London, San Diego, New York, Boston, Sydney, Tokyo, Toronto: Academic Press, 2013. 336 р.
16. International commission on illumination colorimetry. Recommendations on uniform color spaces, color-difference equations, psychometric color terms. Supplement № 2 to CIE publication № 15. Paris: Bureau central de la CIE, 1978. 21 р.
17. Sardana K., Ranjan R., Ghunawat S. Optimising laser tattoo removal // J. Cutan. Aesthet. Surg. 2015. V. 8.
№ 1. P. 16–24. https://doi.org/10.4103/0974-2077.155068
18. Shandybina G., Shamova A., Belikov A., Polyakov D. Analysis of gas bubble formation on light-absorbing microinclusion in liquid during laser irradiation: experimental and theoretical investigation // Opt. Eng. 2021. V. 60. № 1. P. 016103. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.1.016103
19. Polyakov D., Shandybina G., Shamova A. Analytical 3D modeling of accumulative heating under multipulse laser irradiation of inorganic materials and biological tissues // Therm. Sci. Eng. Prog 2022. V. 31. P. 101284. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101284
20. Юсупов В.И. Образование сверхкритической воды под воздействием лазерного излучения // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. 2019. Т. 14. № 1. С. 71–83. https://doi.org/10.1134/ S1990793119070297
Yusupov V.I. Formation of supercritical water under laser radiation // Russ. J. Phys. Chem. B. 2019. V. 13. P. 1245–1253. https://doi.org/10.1134/S1990793119070297