הדמיית אינפרא‑אדום קרובה במהירות גבוהה בתהליך סינטר בלייזר של ננו‑חלקיקים למדידות טמפרטורה ברזולוציית זמן ומקום

צופים בהתחממות החומרים בזמן אמת

מחלקים מודפסים בתלת‑ממד ועד אלקטרוניקה מתקדמת — טכנולוגיות רבות מסתמכות על לייזרים למיזוג חלקיקים זעירים לחומר מוצק ועמיד. אך בתהליכים מהירי־ברק אלה, הכמות החשובה ביותר — הטמפרטורה האמיתית של החומר — הייתה קשה למדידה הן במרחב והן בזמן. המחקר הזה מציג מערכת הדמיה קומפקטית שיכולה לעקוב אחרי עליות ונפילות טמפרטורה בנקודות מיקרוסקופיות בפחות מאלף מהשנייה, ופותחת פתח לשליטה טובה יותר על תהליך הייצור של חומרים ביצועים גבוהים.

מדוע כתמי חום זעירים חשובים

סינטר בלייזר פועל על ידי מיקוד קרן אל פני משטח אבקה או גלולה כך שהחלקיקים מתחממים, מתמזגים ומתצמצמים לצפיפות מוצקה. במיוחד עבור ננו‑חלקיקים של מוליכים למחצה ואוקסידים כגון תחמוצת הטיטניום, גודל הגרעין, הנקבוביות ואפילו סדקים נקבעים על‑פי היסטוריית הטמפרטורה המדויקת על פני מספר מילישניות ומיקרומטרים ספורים. אם הטמפרטורה נמוכה מדי החומר נשאר נקבובי; אם היא גבוהה מדי או נמשכת זמן רב מדי, החומר עלול להיסדק או אף להתאדות. מצלמות אינפרא‑אדום מסורתיות לעתים קרובות חסרות את המהירות או את הרזולוציה המרחבית כדי ללכוד מה קורה בכתמי חום זעירים אלה, ותרמופצ'ולים אינם ניתנים להצבה ישירות באיזור הפעיל. לכן החוקרים פנו לאור תת‑אדום קרוב ולמצלמת מהירות גבוהה כדי לעקוב אחר הטמפרטורה ללא מגע עם הדגימה.

מהבהוב שמנהיר למפות טמפרטורה

כל גוף חם קורן באינפרא‑אדום, ובטמפרטורות הגבוהות הרלוונטיות לסינטר בלייזר חלק משמעותי מהקרינה נמצא בטווח התת‑אדום הקרוב, מיד מעבר לאדום הנראה. הצוות שינה מצלמת מהירות גבוהה מסחרית המבוססת על חיישן סיליקון, הסיר את המסנן המובנה והצמיד לה עדשת מיקרוסקופ המותאמת לאור תת‑אדום קרוב. מסנן מעבר‑ארוך חוסם אור נראה ואולטרה‑סגול — כולל את קרן הלייזר עצמה וכל פלואורסצנציה — כך שהמצלמה רושמת רק פליטת חום מהחומר המחומם. כדי להמיר בהירות לטמפרטורה אמתית הם ביצעו כיול קפדני של המערכת באמצעות גלולת תחמוצת טיטניום שחוממה על צלחת קרמית, עם מדידת טמפרטורה על‑ידי תרמופצ'ול ופירומטר. בהתאמת משוואת רדיומטריה סטנדרטית לנתונים אלה, הם קיבלו עקומת המרה שהופכת את עוצמת כל פיקסל לטמפרטורה, בדיוק המתאים לטמפרטורות בטווח של כ‑600 °C עד כ‑900 °C ובקצב צילום של אלפי פריימים לשנייה.

התמקדות בכתמי חום מהירים וקטנים

אופטיקה המיקרוסקופית מספקת רזולוציה מרחבית טובה מ‑10 מיקרומטר — די חדה כדי להבחין בכתם לייזר בגודל כ‑9 מיקרומטר על הגלולה. בדיקות עם סרגל מיקרוסקופי מכויל הראו שניתן להבחין באופן ברור בתכונות המופרדות במרחק של 10 מיקרומטר בלבד, אף שהמצלמה צופה בדגימה בזווית של 45 מעלות. במקביל, המצלמה יכולה לרשום יותר מאלף תמונות מפתח בגודל מלא לשנייה, ובשדה ראייה מצומצם כמעט 16,000 תמונות לשנייה. השילוב הזה אפשר לחוקרים לצפות בהתפתחות הטמפרטורה של כתם החום בזמן כשהם שינו גם את הספק הלייזר וגם את משך הפולס במהלך סינטר רזוננטי ב‑UV של ננו‑חלקיקי תחמוצת הטיטניום.

כיצד החום מעצב את החומר הסופי

עם המערכת המכויילת, הצוות מדד כיצד טמפרטורת הכתם מגיבה לפולסים של לייזר בעוצמות ובאורכים שונים. הם מצאו עלייה מהירה מאוד בטמפרטורה בתוך המילישנייה הראשונה לחשיפה, ואחריה ירידה קלה עד לפלטו שנשמר לשארית הפולס, ואז קירור מהיר דומה ברגע כיבוי הלייזר. באמצעות כוונון הספק הלייזר ניתן היה להעלות או להוריד את טמפרטורת הפלטו; באמצעות שינוי אורך הפולס ניתן היה לשלוט במשך הזמן שהחומר נשאר חם. בניסויים בעוצמה גבוהה, שיעורי החימום והקירור המוערכים הגיעו למיליונים של מעלות בשנייה. תמונות SEM של הכתמים המסונטרים הראו כי פרופילי הטמפרטורה‑זמן האלה מקושרים ישירות למיקרו‑מבנה: הספקים מתונים הניבו אזורים כמעט דחוסים לגמרי, בעוד שכוח גבוה יותר יצר נקבוביות, גלים ובסוף סדקים או אף סימנים של הסרת חומר. ההיקף המרחבי של ההתצופפות תאם את האזור שחווה את הטמפרטורות הגבוהות ביותר שנמדדו.

חלון חדש אל תעשיית ייצור מהיר

במונחים פשוטים, החוקרים בנו "מיקרוסקופ תרמי" מהיר שיכול לצפות בכתם זעיר של חומר מתחמם ומתקרר כאשר לייזר ממזג ננו‑חלקיקים לחומר מוצק. בקישור בין סרטי הטמפרטורה המפורטים הללו למבנה הפנימי הסופי, העבודה ממחישה כיצד יצרנים יכלו לכייל הספקים וזמני לייזר ככפתורי כוונון כדי לקבל תכונות רצויות תוך המנעות מפגיעה. היות שהמערכת קומפקטית, מבוססת רכיבים מסחריים ומסוגלת לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד, ניתן לשלב אותה במגוון מערכות ייצור מבוססות לייזר ואפילו לשלב עם כלי קרני‑X. בסופו של דבר, הגישה מקרבת אותנו לחומרים מותאמים בהזמנה שבהם המבנה מעוצב בדיוק של מילישניות ומיקרומטרים.

ציטוט: Schulte, J., Schroer, M.A. & Winterer, M. Operando high speed near infrared imaging during laser sintering of nanoparticles for time and space resolved temperature measurements. Sci Rep 16, 8158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37445-7

מילות מפתח: סינטר בלייזר, הדמיית תת‑אדום קרובה, תרמוגרפיה במהירות גבוהה, ננו‑חלקיקים, ייצור אדיטיבי