Cobolt激光器助力火山玻璃纳米晶体研究取得突破性进展

由德国拜罗伊特大学、意大利国家研究委员会（CNR）、法国奥尔良大学等机构组成的国际科研团队在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》期刊发表重要研究成果，首次通过高温拉曼光谱技术原位观测火山玻璃中纳米晶体（Nanolite）的结晶过程。该项研究采用了Cobolt公司生产的Zouk™ 355 nm紫外激光器与Fandango™ 514 nm绿色激光器，成功克服了传统技术对昂贵同步辐射光源的依赖，为火山喷发机制研究提供了全新的低成本解决方案。

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

火山玻璃纳米晶体的重要性

在火山熔岩中形成的纳米晶体的研究对于理解岩浆的传输过程至关重要，因为它们在火山气体的释放、岩浆上升的动态过程以及最终火山的喷发方式中起着关键作用。此外，熔岩结晶时间尺度对于测量熔岩粘度的实验研究至关重要，特别是在玻璃化转变温度附近。纳米晶体的形成会显著影响熔岩的粘度测量，因此准确测量纳米晶体对于火山研究至关重要。

研究背景

原位观察过冷火山熔岩中纳米晶体的结晶过程极具挑战性，其核心挑战在于：如何在高温下（>700°C）实时捕捉纳米晶体的形成过程，并解析其与熔体结构的相互作用。传统方法通常需要大型基础设施（如同步辐射光源）或昂贵且灵敏的仪器（如带有加热台的透射电子显微镜）。拉曼光谱分析技术已被证实是一种快速且经济高效的工具，可以在室温下识别喷发和合成玻璃中的纳米晶体。与其他方法相比，拉曼光谱分析技术具有多种优势：样品制备简单、允许样品回收、空间分辨率高，且能同时获取玻璃成分、铁氧化状态、H2O、SO2 和 CO2 含量等化学信息。

然而，目前还没有研究关注使用拉曼光谱技术进行高温原位观测火山熔岩中纳米晶体的形成过程。这项研究旨在弥补这一差距。

研究方法

该研究使用连接加热台的拉曼显微镜，研究了在高温下干燥安山岩熔岩中纳米晶体的形成过程。这项研究得到了高温 X 射线衍射 (HT-XRD) 以及室温和低温岩石磁性分析的补充，这些分析已被岩石磁性界长期用于研究磁性纳米颗粒。

该研究使用了 Cobolt Zouk™ 355 nm 激光器和 Cobolt Fandango™ 514 nm 激光器。

主要发现

通过结合拉曼光谱分析技术和其他互补方法，该研究取得了一系列重要发现：

初始非晶玻璃的拉曼特征在从室温到 655°C（Tg）的范围内保持不变。然而，随着温度升高到 723°C 和 808°C，玻璃逐渐结晶，形成 Fe-Ti 氧化物纳米晶体，这一点也得到了 HT-XRD 的证实。
纳米晶体的形成在拉曼光谱中表现为 310 cm-1 和 670 cm-1 处的明显峰值。310 cm-1 峰值的演变仅取决于纳米晶体结晶的程度，而 670 cm-1 峰值的出现和演变与温度有关，在高于 500°C 时难以观察到。
重复加热含纳米晶体的玻璃到 Tg 以上会导致进一步的纳米晶体结晶。
当在高于 720°C 的非共焦配置中使用绿光激光器分析透明度较差的玻璃时，黑体辐射的强度显著增加，从而阻碍了对拉曼特征的观察。潜在的解决方案是切换到共焦设置或使用波长较低的激光器。

研究意义

这项研究证实了拉曼光谱分析技术是检测火山熔岩中纳米晶体结晶过程的有力工具。这项技术对于模拟火山过程至关重要，因为火山过程需要无晶体熔岩的粘度数据。通过使用 Cobolt 激光器，研究人员能够获得有关纳米晶体形成过程的宝贵信息，从而加深了我们对火山动力学和喷发机制的理解。

Cobolt激光器的关键作用

研究团队通过对比多种激光器（波长覆盖355 nm至514 nm），最终选定Cobolt Zouk™ 355 nm紫外激光器与Fandango™ 514 nm绿色激光器作为核心光源，其性能优势在实验中得到充分验证：

高温稳定性与抗干扰能力
- Fandango™ 514 nm绿色激光器在室温至720°C范围内表现出卓越的信噪比，成功捕捉到纳米晶体特征峰（310 cm⁻¹与670 cm⁻¹）的演化。
- 当温度超过720°C时，样品黑体辐射显著增强。研究团队发现，Zouk™ 355 nm紫外激光器因波长更短，可有效抑制热辐射干扰，为超高温（>800°C）实验提供了关键技术支持。
高灵敏度与低损伤性
- 在655°C玻璃转化温度（Tg）附近，高功率蓝光激光器（488 nm）易导致样品局部烧蚀，而Fandango™ 514 nm绿色激光器在20-50 mW功率范围内实现了无损检测，保障了数据的可靠性。
- 紫外激光器（355 nm）虽对铁钛氧化物信号灵敏度较低，但其在非共聚焦配置下的宽域信号采集能力，为熔体整体结构分析提供了补充数据。
多波长协同验证
- 通过对比不同激光器的光谱响应，团队首次揭示了670 cm⁻¹峰的强温度依赖性：该峰在500°C以上因电荷转移效应减弱而难以观测，而310 cm⁻¹峰则与纳米晶体含量直接相关。这一发现为火山熔体结晶动力学建模提供了关键参数。