Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J2-1741
- Naslov: Lasersko mikro in nanostrukturiranje za razvoj biomimetičnih kovinskih površin z edinstvenimi lastnostmi (LaMiNaS)
- Trajanje: 01.07.2019 – 30.06.2022
- Letni obseg: 1,3 FTE
- Vodja: izr. prof. dr. Peter Gregorčič
- Veda: Tehniške vede
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Razvoj naprednih komponent za tehnološke in biomedicinske aplikacije zahteva površine z edinstvenimi lastnostmi. Navdih zanje pogosto najdemo v zgledih, ki so se z evolucijo v naravi razvili preko naravne selekcije (npr. lotosov list ali koža morskega psa). LaMiNaS uporablja laserski inženiring površin za razvoj biomimetičnih kovinskih površin v laboratorijskem okolju. Povezuje raziskovalce s področij fizike, analitične kemije, strojništva in fotonike za razvoj novih teoretičnih in eksperimentalnih znanj, ki bodo zmogla odgovoriti na vprašanje, katere površinske lastnosti je potrebno spremeniti in kako, da bi izboljšali materiale, uporabljene (i) v erozijskih okoljih; (ii) pri triboloških aplikacijah; (iii) pri pretokih kapljevin, ki povzročajo kavitacijo; in (iv) pri prenosu toplote. Odgovora na to vprašanje LaMiNaS ne išče zgolj z modeliranjem in posnemanjem edinstvenih površin v naravi, ampak predvideva tudi njihove nadaljnje izboljšave in integracijo v inženirske aplikacije. Teoretično projekt razvija znanje, ki bo zmoglo napovedati, kako laserski in okoliški parametri vplivajo na edinstvene površinske lastnosti ter bo pojasnilo odvisnost površinskih funkcionalnosti, njihovega dolgoročnega obnašanja in obstojnosti od površinskih mikro-/nano-struktur in površinske kemije na molekularnem in atomskem nivoju. V eksperimentalnem delu projekt združuje napredne laserske obdelave z različnimi tehnikami karakterizacije, ki zmorejo razločiti topografske in kemijske značilnosti tankih in ultra-tankih površinskih slojev.
Za razumevanje vpliva laserskega sevanja in njegove interakcije s snovjo na topografske in kemijske površinske spremembe na mikrometrski/nanometrski skali bomo interakcijo svetloba-snov teoretično in eksperimentalno raziskali z obravnavo vse treh glavnih režimov laserske ablacije. Režim zelo nizkih fluenc, ki se odraža predvsem v spremembi površinske kemije, bomo obravnavali za razvoj novih pristopov nadzora korozijskega obnašanja. To bo omogočilo dvoje: nove korozijsko odporne materiale in materiale s povečano dovzetnostjo za korozijo, kar je ključnega pomena za razvoj novih biološko razgradljivih materialov. Režim fluenc blizu praga za ablacijo, kjer nastanejo lasersko povzročene periodične površinske strukture, bomo uporabili za tribološke aplikacije. Osnovne fizikalne mehanizme nastanka teh struktur bomo raziskali z razvojem in obsevanjem kovinskih zlitin z različnimi orientacijami kristalnih rešetk. To bo pojasnilo vpliv površinske gostote atomov na odziv materiala pri obsevanju z lasersko svetlobo in na prag za nastanek periodičnih struktur. Režim ablacije visokih fluenc, pri kateri nastajajo strukture z velikostjo blizu uklonske limite in z velikim razmerjem med globino in širino, bomo preučili z namenom funkcionalizacije površin za izboljšan prenos toplote in nadzor hidrodinamske kavitacije. Pri prenosu toplote bo LaMiNaS prispeval k razumevanju dolgoročnega vedênja in obstojnosti biomimetičnih kovinskih površin pri visokofrekvenčnih temperaturnih spremembah zaradi nukleacije in rasti mehurčkov med vrenjem. Laserski inženiring površin bomo uporabili tudi za razvoj površin, ki bodo omogočile nadzor kavitacije v toku kapljevin. Te aktivnosti bodo vodile do novih pristopov spreminjanja površinskih funkcionalnosti, ki bodo preko vplivanja na začetek kavitacije omogočile povečano (npr. za napredne oksidacijske procese) ali zmanjšano (npr. za preprečevanje kavitacijske erozije) hidrodinamsko kavitacijo in kavitacijsko erozijo.
Razvite površine bodo povečale energijsko učinkovitost in zmanjšale obrabo materialov, zato rezultati projekta vodijo do bolj ekoloških tehnologij. Poleg tega odpirajo nove pristope izdelav pametnih površin ter s tem omogočajo nove možnosti za raziskovanje interakcij med površinami in svetlobo, drugimi elektromagnetnimi polji, molekulami in atomi. Na ta način LaMiNaS pomembno izboljšuje konkurenčnost slovenske in evropske znanosti in gospodarstva.
Faze projekta in njihova realizacija
Modeliranje, načrtovanje in lasersko procesiranje funkcionaliziranih površin
Začetna izbira in optimizacija površin [Jul 19 – Sep 19]
Optimizacija obdelovalnih parametrov [Okt 19 – Apr 20]
Izboljšanje nadzorljivosti, ponovljivosti in razširljivosti procesa [Maj 20 – Dec 20]
Laserska izdelava površin (podporna aktivnost) [Jan 21 – Jun 22]
Karakterizacija funkcionalizirianih površin
Razvoj pristopov za analizo lasersko obdelanih površin [Jul 19 – Apr 20]
Karakterizacija površin (podporna aktivnost) [Maj 20 – Jun 22]
Teoretično modeliranje
Modeliranje posledic laserske ablacije na funkcionalnost površin [Maj 20 – Dec 20]
Preverjanje modelov laserske ablacije [Jan 21 – Jun 21]
Modeliranje obnašanja in trajnosti površin [Jan 21 – Sep 21]
Preverjanje modelov površinskega obnašanja [Okt 21 – Mar 22]
Testiranje funkcionaliziranih površin v inženirskih aplikacijah
Razvoj testnih eksperimentalnih prog in nadzornih metod [Jan 21 – Jun 21]
Testiranje in optimizacija površin za nadzor korozije [Jul 21 – Jun 22]
Testiranje in optimizacija površin za tribološke aplikacije [Jul 21 – Jun 22]
Testiranje in optimizacija površin za nadzor kavitacije [Jul 21 – Jun 22]
Testiranje in optimizacija površin za izboljšan prenos toplote [Jul 21 – Jun 22]
Realizacija projekta poteka po predvidenem načrtu.
Znanstveni članki
M. Petkovšek, M. Hočevar, P. Gregorčič, Surface functionalization by nanosecond-laser texturing for controlling hydrodynamic cavitation dynamics. Ultrason. Sonochem. 67, 105126 (2020). <Tiskovno sporočilo>
P. Gregorčič, Comment on “Bioinspired Reversible Switch between Underwater Superoleophobicity/Superaerophobicity and Oleophilicity/Aerophilicity and Improved Antireflective Property on the Nanosecond Laser-Ablated Superhydrophobic Titanium Surfaces”. ACS Appl. Mater. Interfaces, sprejeto v objavo (2020). <Tiskovno sporočilo>
M. Može, M. Senegačnik, P. Gregorčič, M. Hočevar, M. Zupančič, I.Golobič. Laser-Engineered Microcavity Surfaces with a Nanoscale Superhydrophobic Coating for Extreme Boiling Performance. ACS Appl. Mater. Interfaces, sprejeto v objavo (2020). <Tiskovno sporočilo>
M. Hočevar, B. Šetina Batič, M. Godec, V. Kononenko, D. Drobne, P. Gregorčič. The interaction between the osteosarcoma cell and stainless steel surface, modified by high-fluence, nanosecond laser pulses. Surf. Coat. Technol. 394, 125878 (2020). <Tiskovno sporočilo>
P. Zakšek, M. Zupančič, P. Gregorčič, I. Golobič. Investigation of nucleate pool boiling of saturated pure liquids and ethanol-water mixtures on smooth and laser-textured surfaces. Nanosc. Microsc. Therm. 24, 29-42 (2020).
M. Senegačnik, M. Jezeršek, P. Gregorčič. Propulsion effects after laser ablation in water, confined by different geometries. Applied physics A 126, 136 (2020).
M. Conradi, T. Sever, P. Gregorčič, A. Kocijan. Short- and long-term wettability evolution and corrosion resistance of uncoated and polymer-coated laser-textured steel surface. Coatings 9, 592 (2019)
Konferenčni prispevki
M. Senegačnik, M. Hočevar, B. Šetina Batič, P. Gregorčič. Laser-induced periodic surface structures : characteristics of oxide layer after ns and ps laser texturing. The 9th International LIPSS Workshop 2019, September 26-27, 2019, Ljubljana, Slovenia, (vabljeno predavanje).
M. Hočevar, P. Gregorčič, B. Šetina Batič, V. Kononenko, D. Drobne, M. Godec. Behaviour of human osteoblast-like cells on nanosecond laser-textured 316L surfaces. 27th International Conference on Materials and Technology, 16-18 October 2019, Portorož, Slovenia, (vabljeno predavanje).
M. Godec, I. Paulin, Č. Donik, M. Hočevar, J. Burja, P. Gregorčič, A. Kocijan. Different approaches to achieving biodegradability with an Fe-Mn alloy. 27th International Conference on Materials and Technology, 16-18 October 2019, Portorož, Slovenia, (vabljeno predavanje).
M. Senegačnik, N. Dominko Kobilica, M. Jezeršek, P. Gregorčič. Energy-conversion efficiency in ablative laser propulsion induced by nanosecond laser pulses. COLA 2019 – 15th International Conference on Laser Ablation, Maui-Hawaii, USA 8-13 September, 2019.
P. Gregorčič, Č. Donik, A. Kocijan. Low-fluence ablation as a tool for producing thin-layer oxides and controlling the corrosion behavior of a stainless-steel surface. COLA 2019 – 15th International Conference on Laser Ablation, Maui-Hawaii, USA 8-13 September 2019.
L. Noč, A. Kocjan, P. Gregorčič, I. Jerman. Concentrated solar power spectrally selective absorber coatings : synthesis and characterization of new materials. 13th European Coating Symposium, September 8-11, 2019, Heidelberg, Germany.
M. Senegačnik, K. Kimura, S. Jamaguchi, P. Gregorčič, T. Sakka. Observation of cavitation bubble inner dynamics induced by pulsed laser ablation in liquids. COLA 2019 – 15th International Conference on Laser Ablation, Maui-Hawaii, USA 8-13 September 2019.
M. Conradi, A. Kocijan, T. Sever, Č. Donik, P. Gregorčič. Short- and long-term wettability evolution and corrosion resistance of laser-textured and chemically modified steel surface. 26. međunarodni znanstveni sastanak Vakuumska znanost i tehnika, Njivice, 16.-17. svibanj 2019. Zagreb: Hrvatsko vakuumsko društvo = Croatian Vacuum Society, 2019.
Poljudni prispevki
P. Gregorčič. The pulse energy: a combination of an average power and a repetition rate, lectures on YouTube, 2019.
P. Gregorčič, M. Senegačnik. Surface coloration by laser-induced periodic surface structures (LIPSS), lectures on YouTube, 2019.
Delavnice, dogodki
P. Gregorčič (urednik). The 9th International LIPSS Workshop 2019, September 26-27, 2019, Ljubljana, Slovenia. Book of abstracts. Ljubljana: Faculty of Mechanical Engineering, 2019.
Diplomska in magistrska dela
R. Špan. Detekcijski sistem za mikrometrsko in podmikrometrsko lasersko prevrtanje tankih kovinskih folij, magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2019.
M. Jakič. Raziskave različnih pristopov laserskega rezanja z ogljikovimi vlakni ojačenih polimerov, diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2019.
U. Jurjec. Učinkovitost laserske ablacije pri graviranju z nanosekundnimi laserskimi bliski, zaključna naloga Razvojno raziskovalnega programa I. stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2019.
L. Bregar. Razvoj hibridnih bifilnih površin z uporabo hidrofobnega premaza in laserskega strukturiranja, zaključna naloga Razvojno raziskovalnega programa I. stopnje Strojništvo. Ljubljana, 2019.
Prenos rezultatov v izobraževalne programe UL
Rezultati so bili vključeni v predmet Laserska obdelovalna tehnologija (Magistrski študijski program 2. stopnje Strojništvo, smer Mehatronika in laserska tehnika, 1. letnik, Fakulteta za strojništvo, UL) v poglavju Laserski inženiring površin.