Группа исследователей (Васильев М.М., Шухов Ю.Г., Родионов А.А., Маркович Д.М., Старинский С.В.) и (Суляева В.С.) в своей недавней статье «Why do metals become superhydrophilic during nanosecond laser processing? Design of superhydrophilic, anisotropic and biphilic surfaces», опубликованной в журнале Applied Surface Science (IF = 6.7), отвечает на вопрос, почему металлы при обработке лазерным излучением приобретают супергидрофильные свойства.
Учёные смогли показать, что изменение микроструктуры поверхности при лазерном воздействии может быть достаточно выраженным, однако, этот фактор не является ключевым с точки зрения изменения свойств смачивания материала. Бо́льшее влияние на взаимодействие поверхности металла с водой оказывает нанопористый слой, который образуется из-за переосаждения паров металла на поверхность в процессе лазерной обработки.
Схема лазерной обработки металлов для получения супергидрофильных, бифильных и анизотропных поверхностей
Для подтверждения этой гипотезы авторы обработали различные металлы в воздухе и вакууме. Обнаружено, что обработка материала в разреженной среде может также привести к не менее развитой микроструктуре, чем в воздухе, но свойства смачивания поверхности при этом практически не изменяются. Это объясняется тем, что продукты лазерного испарения разлетаются в окружающее пространство, а не возвращаются на поверхность. Для окончательного подтверждения своей гипотезы авторы, используя верифицированную численную модель, определили режимы лазерного воздействия на олово, обеспечивающие образование достаточно глубокой каверны расплава без испарения металла, чтобы исключить обратный поток паров на поверхность. Для этого режима обработка металла в воздухе также приводила к формированию выраженной микроструктуры, но свойства смачивания практически не изменились.
Таким образом, авторам удалось предложить новый подход к созданию материалов с различными свойствами смачивания, варьируя толщину нанопористого слоя. Были созданы не только поверхности с различным смачиванием вплоть до супергидрофильности, но также бифильные и анизотропные поверхности. Такие материалы могут быть перспективными для управления течением вблизи твёрдой стенки, кавитации и интенсификации тепломассообмена.
Исследование финансируется Российским научным фондом, грант № 19-79-30075. Экспериментальное оборудование (СЭМ) предоставлено Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
Сергей Старинский д.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в энергетике лично выражает благодарность Государственному контракту ИТ СО РАН (№ 121031800214-7).
Источник: ИТ СО РАН.