Lasersko mikro in nanostrukturiranje za razvoj biomimetičnih kovinskih površin z edinstvenimi lastnostmi (LaMiNaS)

LaMiNaS je temeljil na laserskem inženiringu površin za razvoj biomimetičnih kovinskih površin v laboratorijskem okolju. Povezal je raziskovalce s področij fizike, analitične kemije, strojništva in fotonike za razvoj novih teoretičnih in eksperimentalnih znanj, ki so ključna za iskanje odgovora 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. Odgovor na to vprašanje je LaMiNaS iskal z modeliranjem in posnemanjem edinstvenih površin v naravi, z dodatnimi izboljšavami teh površin in z njihovo integracijo v inženirske aplikacije. Projekt je razvil teoretično znanje, s katerim lahko napovemo, kako laserski in okoliški parametri vplivajo na edinstvene površinske lastnosti. Pri tem je pojasnil odvisnost površinskih funkcionalnosti, njihovega dolgoročnega obnašanja in obstojnosti od površinskih mikro-/nano-struktur in površinske kemije na molekularnem in atomskem nivoju. V eksperimentalnem delu je projekt združil napredne laserske obdelave z različnimi tehnikami karakterizacije površin.

Za razumevanje vpliva laserskega sevanja in njegove interakcije s snovjo na topografske in kemijske površinske spremembe na mikrometrski/nanometrski skali smo teoretično in eksperimentalno raziskali in obravnavali tri glavne režime laserske ablacije. Režim zelo nizkih fluenc, ki se odraža predvsem v spremembi površinske kemije, smo preučili z vidika razvoja novih pristopov nadzora korozijskega obnašanja. Na ta način smo lahko razvili 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 (LIPSS) smo uporabili za raziskave osnovnih fizikalnih mehanizmov nastanka teh struktur. Režim ablacije visokih fluenc, pri kateri nastajajo strukture z velikostjo blizu uklonske limite in z velikim razmerjem med globino in širino, pa smo preučili z namenom funkcionalizacije površin za izboljšan prenos toplote in nadzor hidrodinamske kavitacije. Pri prenosu toplote je LaMiNaS prispeval k razumevanju dolgoročnega obnašanja in obstojnosti biomimetičnih kovinskih površin pri visokofrekvenčnih temperaturnih spremembah zaradi nukleacije in rasti mehurčkov med vrenjem. Laserski inženiring površin smo uporabili tudi za razvoj površin, ki omogočajo nadzor kavitacije v toku kapljevin. Te pionirske aktivnosti so vodile do novih pristopov spreminjanja površinskih funkcionalnosti, ki preko vplivanja na začetek kavitacije omogočajo povečano (npr. za napredne oksidacijske procese) ali zmanjšano oz. zakasnjeno (npr. za preprečevanje kavitacijske erozije) hidrodinamsko kavitacijo in kavitacijsko erozijo.

Cilj (C1) Modeliranje in načrtovanje funkcionalnih površin s posnemanjem naravnih sistemov, napovedovanjem nadaljnjih izboljšav in implementacijo v (izbrane) inženirske aplikacije.

• N2.1 Začetna izbira in optimizacija površin. Izbrali smo ustrezne površine, ki smo jih v nadaljevanju testirali v inženirskih aplikacijah. Izvedli smo bazične raziskave ablacije v kapljevinah in ocenili velikost prenosa gibalne količine iz bliska na snov ter različne režime laserske ablacije. Del aktivnosti smo izvedli v sodelovanju z Univerzo v Kyotu (Japonska).
• N2.2 Optimizacija obdelovalnih parametrov. Površine smo izboljšali (sodelovanje z SPI Lasers, Southampton, VB). Optimizirali smo laserske in okoliške obdelovalne parametre za funkcionalizacijo površin.
• N2.3 Izboljšanje nadzorljivosti, ponovljivosti in razširljivosti procesa. Izboljšali smo laserski obdelovalni sistem in parametre za boljši nadzor in ponovljivost topografskih in kemijskih sprememb površine [3] ter uporabili tudi teoretične modele. Omogočili smo razširljivost razvitih procesov in pristopov tudi za strukturiranje 3D površin.
• N2.4 Laserska izdelava površin (podporna aktivnost). Podporna (rutinska) aktivnost laserske obdelave površin, ki smo jih potrebovali v drugih DS. Površine smo izdelali na podlagi spoznanj iz prejšnjih nalog.
• N3.1 Razvoj pristopov za analizo lasersko obdelanih površin. Razvili smo različne pristope za karakterizacijo lasersko obdelanih površin ter za merjenje korozije in optičnih lastnosti površin.
• N3.2 Karakterizacija površin (podporna aktivnost). Z razvitimi metodami smo karakterizirali površine znotraj ostalih projektnih aktivnosti.

Cilj (C2) Teoretično modeliranje obdelovalnih parametrov, ki je omogočilo predvidevanje vpliva laserskih in okoliških parametrov na edinstvene površinske lastnosti.

• N4.1 Modeliranje posledic laserske ablacije na funkcionalnost površin. Razvili smo teoretične modele učinkov laserske ablacije na topografske spremembe površin ter metode merjenja (hitro senčno fotografijo, hitro videografijo in IR termografijo). Razvili smo algoritem za obdelavo porazdelitev toplotnega toka skozi steno pri vrenju na lasersko funkcionaliziranih folijah. Raziskali smo, kako interakcija med svetlobo in snovjo v različnih kapljevinah in plinskih atmosferah vpliva na površinske lastnosti in funkcionalnost površin.
• N4.2 Preverjanje modelov laserske ablacije. Preverili in potrdili smo modele, razvite v N4.1. Na podlagi algoritmov iz N4.1 smo določili osnovne parametre vrenja, ki se uporabljajo v modelh porazdelitev toplotnega toka, kar smo kasneje uporabili v nalogi N5.5 (ta del smo izvedli v sodelovanju s Massachusetts Institute of Technology, ZDA).

(C3) Pridobitev teoretičnega znanja za razlago obnašanja lastnosti površin v odvisnosti od njihovih mikro/nano struktur in kemijske sestave na molekularnem in atomskem nivoju.

• N4.3 Modeliranje obnašanja in trajnosti površin. Raziskali smo vpliv površinske topografije in kemije na omočljivost in ovrednotili dolgoročno obnašanje takih površin. Izdelali smo hibridne površine kot kombinacijo laserske ablacije in kemijskega naparjanja. Raziskali smo biokompatibilnost funkcionaliziranih površin.
• N4.4 Preverjanje modelov površinskega obnašanja. Analizirali smo dolgoročno obnašanje površin s posebno omočljivostjo in se osredotočili tudi na njihove korozijske lastnosti.

Cilj (C4) Razvoj in uporaba različnih metod spremljanja za raziskave in preizkušanje funkcionaliziranih površin v laboratorijskem eksperimentalnem okolju ter za predvidevanje dodatnih izboljšav teh površin in za napovedovanje njihovega dolgoročnega obnašanja in obstojnosti.

• N5.1 Razvoj testnih eksperimentalnih prog in nadzornih metod. Razvili smo eksperimentalne proge in metode za analizo lasersko funkcionaliziranih površin za nadzor korozije, nadzor hidrodinamske kavitacije in za izboljšan prenos toplote.
• N5.2 Testiranje in optimizacija površin za nadzor korozije. Raziskali smo, kako različni pristopi spreminjanja površinske kemije pripomorejo k nadzoru korozijskega obnašanja. Posebno pozornost smo namenili biokompatibilnosti teh površin.
• N5.3 Testiranje in optimizacija površin za tribološke aplikacije. Preučili smo, kako lasersko preoblikovanje površinske kemije in topografije vpliva na tribološke lastnosti. Podrobneje smo raziskali oksidacijo z nanosekundnimi bliski pri nizkih fluencah.
• N5.4 Testiranje in optimizacija površin za nadzor kavitacije. Prvi na svetu smo pokazali, kako je mogoče z laserskim teksturiranjem nadzirati hidrodinamsko kavitacijo v toku kapljevine (vode) in pojasnili tudi vpliv omočljivosti.
• N5.5 Testiranje in optimizacija površin za izboljšan prenos toplote. Pokazali smo, da lasersko povzročene mikro-jamice raznolikih premerov omogočajo nadzor vrenja v različnih binarnih mešanicah kapljevin. Spreminjali smo površinsko kemijo in topografijo ter ocenili njun vpliv na kritično gostoto toplotnega toka. Aktivnosti so vključevale tudi določitev osnovnih parametrov vrenja ter analizo spremembe površinske kemije in topografije med procesom vrenja, kar je pomembno prispevalo k razumevanju obnašanja funkcionaliziranih površin in njihove dolgoročne obstojnosti pri visokofrekvenčnih temperaturnih spremembah, ki jih povzročata nukleacija in rast mehurčkov zaradi vrenja.

Ocenjujemo, da smo vse cilje projekta dosegli v celoti.

Prvi cilj C1 smo dosegli znotraj nalog N2.1-2.4 ter N3.1 in N3.2, kjer smo najprej pripravili podatkovni list optimiziranih obdelovalnih parametrov. Ta je poleg samih procesnih parametrov vseboval tudi podatke o tem, kako na obdelavo površin vplivajo posamezne okoliške kapljevine in plini. Ta cilj smo dosegli tudi z nadgradnjo in optimizacijo laserskega sistema na način, da je omogočal izdelavo površin, ki smo jih kasneje testirali v raziskovalnem sklopu DS 5. Ta nadgradnja je omogočala tudi obdelavo 3D površin, ki smo jih potrebovali predvsem za raziskave vpliva lasersko mikrostrukturiranih površin na hidrodinamsko kavitacijo (znotraj naloge N5.4).

Drugi cilj C2 smo dosegli s tem, da smo v okviru nalog N4.1 in N4.2 na podlagi analize lasersko procesiranih površin razvili teoretične modele učinkov laserske ablacije na topografske spremembe površin. Te modele smo tudi teoretično verificirali bodisi z naknadno analizo teh površin bodisi z opazovanjem lasersko povzročenih pojavov (nastanek plazme ali kavitacijskih mehurčkov) med samo obdelavo.

Tretji cilj C3 smo dosegli v okviru nalog N4.3 in N4.4. Pri tem smo znanje, ki predstavlja cilj C2, uporabili za raziskave vpliva površinske topografije in kemije na omočljivost površin. To nam je omogočilo, da smo lahko izdelali tudi hibridne površine kot kombinacijo posledic laserske ablacije (sprememba površinske mikro in nanostrukture) in kemijskega naparjanja. Poleg tega smo s testi biokompatibilnosti teh površin prišli do teoretičnih spoznanj, katere lastnosti vplivajo na zmanjšano biokompatibilnost (nastanek toksičnih oksidov). Na ta način smo prišli do spoznanj, kako mikro in nanostruktura ter kemijska sestava na molekularnem in atomskem nivoju vplivajo na funkcionalnost lasersko izdelanih površin. Za dosego tega cilja smo razvili tudi algoritme za naknadno obdelavo porazdelitev toplotnega toka skozi steno lasersko obdelane kovinske folije pri mehurčkastem vrenju. Ti algoritmi so nam omogočili, da smo iz IR posnetkov porazdelitev temperaturnega polja ocenili vse osnovne parametre vrenja (gostota nukleacijskih mest, čas čakanja in rasti mehurčkov ter polmer odtisa mehurčkov) in tudi dejansko porazdelitev toplotnega toka.

Rezultate, ki smo jih dosegli v okviru ciljev C1-C3, smo znotraj nalog N5-1.N5.5 uporabili za dosego najpomembnejšega cilja projekta C4. Pridobljeno znanje smo namreč uporabili za to, da smo razvite površine testirali za nadzor korozije, v triboloških aplikacijah, za nadzor kavitacije in za izboljšan prenos toplote. V ta namen smo izdelali posebej prilagojene testne merilne proge. Ocenjujemo, da smo prepričljivo pokazali, da lahko z razvitimi pristopi korozijo lasersko obdelanih površin bodisi povečamo bodisi zmanjšamo (odvisno od potreb pri posamezni aplikaciji). Ali gre za večjo ali manjšo odpornost na korozijo, je odvisno predvsem od površinske kemije, ki je določena s parametri laserskega procesiranja. Pokazali smo tudi, da je z laserskim inženiringom površin mogoče izdelati napredne tribološke površine. Največji preboj pa smo dosegli na področjih hidrodinamske kavitacije in izboljšanega prenosa toplote. Pri hidrodinamski kavitaciji smo prvi na svetu pokazali, da je na tak način mogoče kavitacijo zavirati (oz. zakasniti) ali intenzivirati. Pri tem smo dodatno ovrednotili tudi vpliv omočljivosti, ki se po procesiranju spremeni zaradi kontaminacije. V okviru prenosa toplote pa smo v več člankih pokazali, da je prenos toplote z mehurčkastim vrenjem mogoče izboljšati na površinah različnih omočljivosti in s specifično mikro-/nano-topografijo, ki jo izdelamo z uporabo neposredne, robustne in razširljive laserske obdelave. Naši rezultati dokazujejo, da lahko z laserskim inženiringom površin premagamo trenutne omejitve za nadaljnjo miniaturizacijo mikroelektronskih naprav ter izdelamo površine za povečanje zmogljivosti in varnosti v sistemih z visokimi toplotnimi tokovi.

Izvirni znanstveni članki

M. Senegačnik, P. Gregorčič. Diffraction-driven laser surface nanostructuring : towards patterning with curved periodic surface structures. Appl. Surf. Sci. 610 (2023).

M. Zupančič, P. Gregorčič, M. Bucci, C. Wang, G. M. Aguiar, M. Bucci. The wall heat flux partitioning during the pool boiling of water on thin metallic foils. Appl. Therm. Eng. 200 (2022).

L. Hribar, P. Gregorčič, M. Senegačnik, M. Jezeršek. The influence of the processing parameters on the laser-ablation of stainless steel and brass during the engraving by nanosecond fiber laser. Nanomaterials 12 (2022).

M. Senegačnik, K. Kunimoto, S. Yamaguchi, K. Kimura, T. Sakka, P. Gregorčič. Dynamics of laser-induced cavitation bubble during expansion over sharp-edge geometry submerged in liquid – an inside view by diffuse illumination. Ultrason. Sonochem. 73 (2021).

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 13, 2117 (2021).

M. Petkovšek, M. Hočevar, P. Gregorčič, ​Surface functionalization by nanosecond-laser texturing for controlling hydrodynamic cavitation dynamics. Ultrason. Sonochem. 67, 105126 (2020).

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 12, 24419 (2020).

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).

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)

Poglavje v monografski publikaciji

M. Zupančič, P. Gregorčič. Laser surface engineering for boiling heat transfer applications. Springer, str. 245-303 (2021).

Zaključena znanstvena zbirka raziskovalnih podatkov

M. Senegačnik, P. Gregorčič. Dataset supporting journal publication ‘Diffraction-driven laser surface nanostructuring: Towards patterning with curved periodic surface structures’. Elsevier: Mendeley Data, 2022.

M. Zupančič, P. Gregorčič, M. Bucci, C. Wang, G. M. Aguiar, M. Bucci. Dataset supporting journal publication ‘The wall heat flux partitioning during the pool boiling of water on thin metallic foils’. Elsevier: Mendeley Data, 2021.

M. Senegačnik, K. Kunimoto, S. Yamaguchi, K, Kimura, T. Sakka, P. Gregorčič. Dataset supporting journal publication ‘Dynamics of laser-induced cavitation bubble during expansion over sharp-edge geometry submerged in liquid – an inside view by diffuse illumination’. Elsevier: Mendeley Data, 2021.