Cobolt激光器助力火山玻璃納米晶體研究取得突破性進展

由德國拜羅伊特大學、意大利國家研究委員會（CNR）、法國奧爾良大學等機構組成的國際科研團隊在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》期刊發表重要研究成果，首次通過高溫拉曼光譜技術原位觀測火山玻璃中納米晶體（Nanolite）的結晶過程。該項研究采用了Cobolt公司生產的Zouk? 355 nm紫外激光器與Fandango? 514 nm綠色激光器，成功克服了傳統技術對昂貴同步輻射光源的依賴，為火山噴發機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于理解巖漿的傳輸過程至關重要，因為它們在火山氣體的釋放、巖漿上升的動態過程以及最終火山的噴發方式中起著關鍵作用。此外，熔巖結晶時間尺度對于測量熔巖粘度的實驗研究至關重要，特別是在玻璃化轉變溫度附近。納米晶體的形成會顯著影響熔巖的粘度測量，因此準確測量納米晶體對于火山研究至關重要。

研究背景

原位觀察過冷火山熔巖中納米晶體的結晶過程極具挑戰性，其核心挑戰在于：如何在高溫下（>700°C）實時捕捉納米晶體的形成過程，并解析其與熔體結構的相互作用。傳統方法通常需要大型基礎設施（如同步輻射光源）或昂貴且靈敏的儀器（如帶有加熱臺的透射電子顯微鏡）。拉曼光譜分析技術已被證實是一種快速且經濟高效的工具，可以在室溫下識別噴發和合成玻璃中的納米晶體。與其他方法相比，拉曼光譜分析技術具有多種優勢：樣品制備簡單、允許樣品回收、空間分辨率高，且能同時獲取玻璃成分、鐵氧化狀態、H2O、SO2 和 CO2 含量等化學信息。

然而，目前還沒有研究關注使用拉曼光譜技術進行高溫原位觀測火山熔巖中納米晶體的形成過程。這項研究旨在彌補這一差距。

研究方法

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

主要發現

通過結合拉曼光譜分析技術和其他互補方法，該研究取得了一系列重要發現：

初始非晶玻璃的拉曼特征在從室溫到 655°C（Tg）的范圍內保持不變。然而，隨著溫度升高到 723°C 和 808°C，玻璃逐漸結晶，形成 Fe-Ti 氧化物納米晶體，這一點也得到了 HT-XRD 的證實。
納米晶體的形成在拉曼光譜中表現為 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晶的程度，而 670 cm-1 峰值的出現和演變與溫度有關，在高于 500°C 時難以觀察到。
重復加熱含納米晶體的玻璃到 Tg 以上會導致進一步的納米晶體結晶。
當在高于 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，黑體輻射的強度顯著增加，從而阻礙了對拉曼特征的觀察。潛在的解決方案是切換到共焦設置或使用波長較低的激光器。

研究意義

這項研究證實了拉曼光譜分析技術是檢測火山熔巖中納米晶體結晶過程的有力工具。這項技術對于模擬火山過程至關重要，因為火山過程需要無晶體熔巖的粘度數據。通過使用 Cobolt 激光器，研究人員能夠獲得有關納米晶體形成過程的寶貴信息，從而加深了我們對火山動力學和噴發機制的理解。

Cobolt激光器的關鍵作用

研究團隊通過對比多種激光器（波長覆蓋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，其性能優勢在實驗中得到充分驗證：

高溫穩定性與抗干擾能力
- Fandango? 514 nm綠色激光器在室溫至720°C范圍內表現出卓越的信噪比，成功捕捉到納米晶體特征峰（310 cm?1與670 cm?1）的演化。
- 當溫度超過720°C時，樣品黑體輻射顯著增強。研究團隊發現，Zouk? 355 nm紫外激光器因波長更短，可有效抑制熱輻射干擾，為超高溫（>800°C）實驗提供了關鍵技術支持。
高靈敏度與低損傷性
- 在655°C玻璃轉化溫度（Tg）附近，高功率藍光激光器（488 nm）易導致樣品局部燒蝕，而Fandango? 514 nm綠色激光器在20-50 mW功率范圍內實現了無損檢測，保障了數據的可靠性。
- 紫外激光器（355 nm）雖對鐵鈦氧化物信號靈敏度較低，但其在非共聚焦配置下的寬域信號采集能力，為熔體整體結構分析提供了補充數據。
多波長協同驗證
- 通過對比不同激光器的光譜響應，團隊首次揭示了670 cm?1峰的強溫度依賴性：該峰在500°C以上因電荷轉移效應減弱而難以觀測，而310 cm?1峰則與納米晶體含量直接相關。這一發現為火山熔體結晶動力學建模提供了關鍵參數。