Predgovor

---

Oznaka: 0098029

OPTIČKE INTERAKCIJE I ORGANIZACIJSKI PROCESI U MATERIJI

OPTICAL INTERACTIONS AND ORGANIZATIONAL PROCESSES IN MATTER
Voditelj projekta: dr. sc. Stjepan Lugomer

Tel. ++385 1 4560928   e-mail: [e-mail]

Suradnici
Ivan Budimir, magistar fiz. znanosti, asistent, stručni suradnik
Stjepan Lugomer, doktor fiz. znanosti, znanstveni savjetnik
Dubravko Risović, doktor fiz. znanosti, znanstveni suradnik

Program rada i rezultati na projektu:

Projekt "Optičke interakcije i organizacijski procesi u materiji" je interdisciplinarni projekt usmjeren na proučavanje samoorganizacijskih procesa (SO), morfologije i dinamike kondenzirane materije u uvjetima (I) spontane, i (II) inducirane SO, a obuhvaća fundamentalni i aplikativni aspekt. U prvom slučaju optičke interakcije služe za dijagnostiku procesa i struktura, dok u drugom služe za iniciranje površinskih SO procesa. (I) Cilj istraživanja u području spontanih samoorganizacijskih procesa je bio unapređenje razumijevanja procesa spontane SO, te karakterizacija i kvantifikacija utjecaja fizikalno-kemijskih parametara na molekulske i čestične adsorbate na čvrstim površinama i sučeljima. (II) Cilj istraživanja u području induciranih samoorganizacijskih procesa pomoću nanosekundnih laserskih impulsa velike snage bio je unaprijediti razumijevanje SO procesa u akceleriranom sloju fluida na površini čvrstih sistema, utvrditi tipove struktura, njihovu organizacijsku hijerahiju, te naći adekvatne modele dinamike fluida za njihov opis. Glavni rezultati: Optičke interakcije primjenjene na proučavanje samoorganizacije na površinama dovela su do objašnjenja složene kompetitivne adsorpcije u okviru fraktalne koncepcije, kao i razvoja i implementacije nove metode za detekciju molekulske reorijentacije tijekom procesa adsorpcije. Eksperimentalno opažene strukturne i elektrokemijske promjene, povezane s promjenom mehanizama redukcije su opisane i protumačene u okviru fraktalne teorije primjenjene na strukturu adsorbiranog sloja. Razvijena je nova metoda za otkrivanje 3D reorijentacije, temeljena na ac-voltametrijskom mjerenju brzine promjene kapacitivne struje s vremenom i s uspjehom primjenjena u proučavanju adsorpcije anizotropnih organskih molekula. Primjena kombiniranih optičko/spektroskopskih metoda (refleksijske spektroskopije i mikroskopije pod Brewsterovim kutem) i fraktalne analize u studiji kompozicije, strukture i procesa u mikrosloju na morskoj površini, omogućila je uvid u mehanizme spontanog formiranja i strukturnih promjena mikrosloja morske površine. Identificiran je fazni prijelaz drugog reda tijekom kompresije rekonstruiranog sloja, odgovoran za strukturne promjene.

Utvrđeno je po prvi puta, da se u multipulsnim LMI (laser-materija interakcija) javlja nestabilnost filamentnih petlji, koje se nakon topološke operacije "cut-and-connect" odvajaju i transformiraju u vrtložne prstenove. Nestabilnost vrtložne jezgre prstenova javlja se u formi inercijalnih Kelvinovih valova. Uočeno je da nestabilnosti ringova podsjećaju na nestabilnosti Bose kondenzata (slično Schwartzovim rekoneksijskim prstenovima u HeII), zatim na rotirajuće kemijske reakcije u fluidu koje tvore ring-strukture, kao i na neke karakteristične formacije u plazmi. U konfiguraciji eksperimenata nazvanoj "semiconfined configuration" postiže se pregrijavanje tekućeg metala (metastabilna faza), koji u trenutku detonacije plazme formira udarni val, uz pritiske do 10³ atmosfera koji potisne fluid do spinodale (točka apsolutne termodinamičke nestabilnosti). Na spinodali, pregrijani metal za 10³ –10⁴ K >T_b faznom eksplozijom prelazi u stabilnu fazu uz formiranje površina s mikro i nano-porozitetom. Porozitet tantala i molibdena predstavlja 3D fraktalnu strukturu s velikom dubinom do ~ 10 mikrona, a totalna površina povećana je za faktor 10⁴. Na površini molibdena i tantala javlja se nanoporozitet, s 1-D i 2-D regularnim kao i neregularnim (nasumičnim) uređenjem nanošupljina. Nanošupljine potječu od solitonskih valova u plazmi koji ostavljaju termički otisak u površini metala. Regularno uređenje interpretirano je kondenzacijom solitona i pojavom "pulsirajućih modova", koji su dokazani simulacijom iz Boussinesq jednadžbe za 1D slučaj, te Kadomcev-Petviashvili jednadžbe za 2D regularno uređenje. Na indiju, generirano je koherentno polje malih površinskih kapilarnih valova čija amplituda raste eksponencijalno s gustoćom energije laserskog impulsa do 4,25 J/cm², a zatim ostaje konstantna. Ta je energija ujedno i prag za početak rasta dubokih valova.

Research programme and results:

The project "Optical interactions and organizational processes in matter" is an interdisciplinary project dedicated to the study of self-organization (SO) processes, morphology and dynamics of condensed matter under spontaneous (I) and induced (II) SO, comprehending fundamental and applicative aspects. (I) The research target in the case of spontaneous SO, was advancement of understanding of spontaneous processes of self-organization and characterization and quantification of influence of physical/chemical parameters on molecular and particulate adsorbate at solid surfaces and interfaces. (II) In case of induced SO processes the target was advancement of understanding of SO processes in accelerated fluid layer at solid surfaces by use of high power nanosecond laser impulses, as well as identify the structure types, its organizational hierarchy and find the adequate fluid dynamics models. Major results: Application of optical interactions in studies of self-organization on interfaces facilitated explanation of complex competitive adsorption within framework of fractal theory, as well as development and implementation of a novel method for detection of molecular reorientation during the adsorption process. Experimentally detected structural and electrochemical changes related to the change of reduction mechanisms were described and explained within the framework of fractal theory applied to the adsorbed layer structure. A new method for detection of 3D reorientation has been developed. It is based on ac-voltammetric measurement of rate of change of capacitive current in time and successfully applied in study of adsorption of anisotropic organic molecules. Application of combined optical/spectroscopic methods (reflection spectroscopy and Brewster angle microscopy) and fractal analysis in study of composition, structure and processes in sea-surface microlayer enabled insight into mechanisms of spontaneous formation and structural changes of the sea-surface microlayer. During the compression of reconstructed microlayer a second order phase transition responsible for observed structural changes has been identified.

It was found for the first time that multipulse LMI generates the instability of vortex filament loops, which after the operation "cut-and–connect" become transformed into vortex rings.The vortex ring instability appears in the form of the inertial Kelvin waves. It was observed that vortex ring instabilities resemble the instability of Bose condensates (similar to the Schwartz reconnection rings in HeII); on the rotating chemical reactions, which make the ring-structures in the fluid, as well as on some characteristic ring-like plasma formations. In the experimental configuration known as "the semiconfined configuration" one gets superheating of liquid metal (metastable phase), which in the moment of plasma explosion generates the "blast wave", with presurres up to 10³ atm pressing the fluid to the spinodal point (the point of absolute thermodynamic instability). Reaching the spinodal, the metal superheated to 10³ -10⁴ > T_b by the phase explosion, passes into stable phase with formation of micro- and nano-porosity. The micro-porosity of Mo and Ta surfaces represents 3D fractal structure with depth of ~ 10 microns, and total surface is increased by the factor of 10⁴. In addition, the surface of Mo and Ta targets shows nanoporosity with 1D and 2D regular and irregular (random) surface arrangement. The nanoholes are generated by the solitary plasma waves which make thermal fingerprint in the metal surface . The regular arrangement of nanoholes is interpreted by the condensation of solitons and apperance of "breather modes", which are proved by numerical simulation based on the Boussinesq equation for 1D arrangement, and the Kadomtsev-Petviashvili equation for 2D arrangement of nanoholes. On the other hand, the experiments on indium surface resulted in the generation of a coherent field of small capillary waves whose amplitude increases exponentially with the laser power density, up to ~ 4.25 J/cm². This energy is also the threshold for the appearance of deep waves.