Producción más eficaz de nanopartículas mediante láser
Se aclara experimentalmente la producción de nanopartículas con láser y se logra un nuevo récord de productividad
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Las nanopartículas son partículas diminutas, unas mil veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano. Desempeñan un papel clave en ámbitos como la catálisis, la tecnología energética o la imagen biomédica. El Dr. Maximilian Spellauge, antiguo alumno de HM, realizó su tesis doctoral en la Universidad de Duisburgo-Essen en el marco de un doctorado cooperativo con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich (HM), en la que investigó sistemáticamente los fundamentos de los procesos de fabricación basados en láser. Obtuvo dos resultados revolucionarios: La máxima productividad específica de potencia alcanzable para la ablación por láser en líquido es de 75 miligramos por hora y vatio para el oro, casi cuatro veces superior al valor récord anterior de 21 mg/h/W. Para la división de micropartículas individuales en otras más pequeñas, Spellauge alcanzó incluso 720 mg/h/W, casi un orden de magnitud más.
Del pulso individual a la imagen global: investigación sistemática en condiciones controladas
Spellauge llevó a cabo experimentos selectivos con láser de pulso único para descartar cualquier influencia perturbadora procedente de la formación de burbujas o de partículas ya generadas. Se investigó la ablación de oro en líquido y la fragmentación de micropartículas de oro individuales en líquido. Las mediciones de la transmisión y reflexión de la luz proporcionaron información precisa sobre la energía absorbida. Mediante microscopía de sonda de bombeo, un método que visualiza procesos en el intervalo de tiempo de picosegundos a milisegundos, siguió todo el proceso de interacción láser-materia.
Dos caminos, un objetivo: comparación de los mecanismos de formación de nanopartículas
Spellauge demostró dos mecanismos de formación en la ablación de oro en líquido: El material vaporizado se condensa en partículas muy pequeñas, de menos de diez nanómetros; la desintegración de una capa superficial disuelta mecánicamente produce partículas más grandes, del orden de varias decenas de nanómetros. La eficacia en líquido es cuatro veces inferior a la de la ablación en aire, ya que parte del material ablacionado vuelve a caer. Las duraciones de pulso más eficaces en este proceso se sitúan entre 10 picosegundos y 1 nanosegundo.
Spellauge identificó tres mecanismos para la fragmentación de micropartículas de oro individuales: en primer lugar, la llamada explosión de fase fototérmica, en la que las partículas del material cambian repentinamente a un estado gaseoso, la posterior espalación a medida que las partículas de oro se desprenden, y la focalización por presión. En esta última, la superposición de ondas de presión provoca un aumento local de la presión en la partícula, lo que favorece su fragmentación en trozos más grandes. Alrededor del dos por ciento de la energía absorbida se convirtió en nuevas superficies de partículas, frente a sólo el 0,1 por ciento cuando se ablacionaron cuerpos sólidos. "Los resultados muestran que la fragmentación de partículas individuales es mucho más eficiente energéticamente que la ablación de un sólido en líquido. Al mismo tiempo, queda claro qué mecanismos físicos determinan el tamaño de las partículas y cómo podemos influir específicamente en ellos en el futuro", afirma el investigador.
Producción sostenible de nanopartículas: aplicaciones en catálisis y tecnología energética
Los resultados ofrecen puntos de partida concretos para la optimización del proceso: en el caso de la ablación en líquido, la división del pulso o la mayor duración del pulso del láser aumentan la productividad y mejoran la distribución del tamaño de las partículas. En la fragmentación, la conformación espacial y la división del haz láser también conducen a una mayor productividad y a un ajuste más selectivo de la distribución del tamaño de las partículas. Los procesos basados en láser no requieren aditivos químicos y cumplen los principios de la química verde. Spellauge ve campos de aplicación principalmente en la catálisis y la tecnología energética sostenible. Los estudios futuros deberán observar la formación de partículas con resolución temporal y combinar los datos experimentales con simulaciones numéricas.
La tesis titulada Laser-based Nanoparticle Generation in Liquids: Mechanistic Insights for Advancing Size Control and Process Efficiency fue supervisada por Maximilian Spellauge en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich (HM) como doctorado cooperativo por el Prof. Dr. Heinz P. Huber (HM), el Prof. Dr. Stephan Barcikowski de la Universidad de Duisburg-Essen (UDE) y el Dr. Anton Plech del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). El trabajo se llevó a cabo en cooperación con la Universidad de Duisburgo-Essen (UDE), en particular en el Centro de Química Técnica y Nanointegración Duisburg-Essen (CENIDE). El Dr. Maximilian Spellauge es investigador postdoctoral en HM.
El 23 de abril de 2026, el Dr. Maximilian Spellauge recibió el Premio Oskar von Miller de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich al mejor doctorado.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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