Cobolt激光器助力火山玻璃納米晶體研究取得突破性進(jìn)展

由德國(guó)拜羅伊特大學(xué)、意大利國(guó)家研究委員會(huì)（CNR）、法國(guó)奧爾良大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》期刊發(fā)表重要研究成果，首次通過(guò)高溫拉曼光譜技術(shù)原位觀測(cè)火山玻璃中納米晶體（Nanolite）的結(jié)晶過(guò)程。該項(xiàng)研究采用了Cobolt公司生產(chǎn)的Zouk? 355 nm紫外激光器與Fandango? 514 nm綠色激光器，成功克服了傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)昂貴同步輻射光源的依賴，為火山噴發(fā)機(jī)制研究提供了全新的低成本解決方案。

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GC011846

火山玻璃納米晶體的重要性

在火山熔巖中形成的納米晶體的研究對(duì)于理解巖漿的傳輸過(guò)程至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)诨鹕綒怏w的釋放、巖漿上升的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及最終火山的噴發(fā)方式中起著關(guān)鍵作用。此外，熔巖結(jié)晶時(shí)間尺度對(duì)于測(cè)量熔巖粘度的實(shí)驗(yàn)研究至關(guān)重要，特別是在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近。納米晶體的形成會(huì)顯著影響熔巖的粘度測(cè)量，因此準(zhǔn)確測(cè)量納米晶體對(duì)于火山研究至關(guān)重要。

研究背景

原位觀察過(guò)冷火山熔巖中納米晶體的結(jié)晶過(guò)程極具挑戰(zhàn)性，其核心挑戰(zhàn)在于：如何在高溫下（>700°C）實(shí)時(shí)捕捉納米晶體的形成過(guò)程，并解析其與熔體結(jié)構(gòu)的相互作用。傳統(tǒng)方法通常需要大型基礎(chǔ)設(shè)施（如同步輻射光源）或昂貴且靈敏的儀器（如帶有加熱臺(tái)的透射電子顯微鏡）。拉曼光譜分析技術(shù)已被證實(shí)是一種快速且經(jīng)濟(jì)高效的工具，可以在室溫下識(shí)別噴發(fā)和合成玻璃中的納米晶體。與其他方法相比，拉曼光譜分析技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)：樣品制備簡(jiǎn)單、允許樣品回收、空間分辨率高，且能同時(shí)獲取玻璃成分、鐵氧化狀態(tài)、H2O、SO2 和 CO2 含量等化學(xué)信息。

然而，目前還沒(méi)有研究關(guān)注使用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行高溫原位觀測(cè)火山熔巖中納米晶體的形成過(guò)程。這項(xiàng)研究旨在彌補(bǔ)這一差距。

研究方法

該研究使用連接加熱臺(tái)的拉曼顯微鏡，研究了在高溫下干燥安山巖熔巖中納米晶體的形成過(guò)程。這項(xiàng)研究得到了高溫 X 射線衍射 (HT-XRD) 以及室溫和低溫巖石磁性分析的補(bǔ)充，這些分析已被巖石磁性界長(zhǎng)期用于研究磁性納米顆粒。

該研究使用了 Cobolt Zouk? 355 nm 激光器和 Cobolt Fandango? 514 nm 激光器。

主要發(fā)現(xiàn)

通過(guò)結(jié)合拉曼光譜分析技術(shù)和其他互補(bǔ)方法，該研究取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)：

初始非晶玻璃的拉曼特征在從室溫到 655°C（Tg）的范圍內(nèi)保持不變。然而，隨著溫度升高到 723°C 和 808°C，玻璃逐漸結(jié)晶，形成 Fe-Ti 氧化物納米晶體，這一點(diǎn)也得到了 HT-XRD 的證實(shí)。
納米晶體的形成在拉曼光譜中表現(xiàn)為 310 cm-1 和 670 cm-1 處的明顯峰值。310 cm-1 峰值的演變僅取決于納米晶體結(jié)晶的程度，而 670 cm-1 峰值的出現(xiàn)和演變與溫度有關(guān)，在高于 500°C 時(shí)難以觀察到。
重復(fù)加熱含納米晶體的玻璃到 Tg 以上會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的納米晶體結(jié)晶。
當(dāng)在高于 720°C 的非共焦配置中使用綠光激光器分析透明度較差的玻璃時(shí)，黑體輻射的強(qiáng)度顯著增加，從而阻礙了對(duì)拉曼特征的觀察。潛在的解決方案是切換到共焦設(shè)置或使用波長(zhǎng)較低的激光器。

研究意義

這項(xiàng)研究證實(shí)了拉曼光譜分析技術(shù)是檢測(cè)火山熔巖中納米晶體結(jié)晶過(guò)程的有力工具。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于模擬火山過(guò)程至關(guān)重要，因?yàn)榛鹕竭^(guò)程需要無(wú)晶體熔巖的粘度數(shù)據(jù)。通過(guò)使用 Cobolt 激光器，研究人員能夠獲得有關(guān)納米晶體形成過(guò)程的寶貴信息，從而加深了我們對(duì)火山動(dòng)力學(xué)和噴發(fā)機(jī)制的理解。

Cobolt激光器的關(guān)鍵作用

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比多種激光器（波長(zhǎng)覆蓋355 nm至514 nm），最終選定Cobolt Zouk? 355 nm紫外激光器與Fandango? 514 nm綠色激光器作為核心光源，其性能優(yōu)勢(shì)在實(shí)驗(yàn)中得到充分驗(yàn)證：

高溫穩(wěn)定性與抗干擾能力
- Fandango? 514 nm綠色激光器在室溫至720°C范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的信噪比，成功捕捉到納米晶體特征峰（310 cm?1與670 cm?1）的演化。
- 當(dāng)溫度超過(guò)720°C時(shí)，樣品黑體輻射顯著增強(qiáng)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，Zouk? 355 nm紫外激光器因波長(zhǎng)更短，可有效抑制熱輻射干擾，為超高溫（>800°C）實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。
高靈敏度與低損傷性
- 在655°C玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）附近，高功率藍(lán)光激光器（488 nm）易導(dǎo)致樣品局部燒蝕，而Fandango? 514 nm綠色激光器在20-50 mW功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)損檢測(cè)，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。
- 紫外激光器（355 nm）雖對(duì)鐵鈦氧化物信號(hào)靈敏度較低，但其在非共聚焦配置下的寬域信號(hào)采集能力，為熔體整體結(jié)構(gòu)分析提供了補(bǔ)充數(shù)據(jù)。
多波長(zhǎng)協(xié)同驗(yàn)證
- 通過(guò)對(duì)比不同激光器的光譜響應(yīng)，團(tuán)隊(duì)首次揭示了670 cm?1峰的強(qiáng)溫度依賴性：該峰在500°C以上因電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)減弱而難以觀測(cè)，而310 cm?1峰則與納米晶體含量直接相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)為火山熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)建模提供了關(guān)鍵參數(shù)。