Интересны супергидрофобные и супергидрофильные свойства поверхностей в природе, например, водоотталкивающие свойства цветков лотоса, что служило источником вдохновения для создания целого ряда новаторских и весьма функциональных технологий и конструкций. Было, например, продемонстрировано, что гидрофобные и гидрофильные поверхности могут быть изготовлены путем лазерной обработки.

Недавно исследовательский центр микротехнологии Vorarlberg University of Applied Sciences (Dornbirn, Австрия), в сотрудничестве со Spectra-Physics (Santa Clara, Калифорния, США), разработал лазерный процесс ClearSurface обработки поверхностей. Этот процесс, с использованием промышленного фемтосекундного лазера (рис.1), позволяет осуществлять быстрое и гибкое производство супергидрофобных и супергидрофильных поверхностей. Он позволяет регулировать свойства смачивания поверхностей различных материалов. Контактный угол капли жидкости может точно задаваться параметрами режима лазерной обработки.

Рис.1 – Промышленный фемтосекундный лазер фирмы Spectra Physics (США)

Нехватка воды является одной из основных глобальных проблем, затрагивающих все континенты и более чем 700 миллионов человек. Интересно, что осадки происходят во многих засушливых регионах мира, главным образом, в виде росы и тумана, к которым приспособились местная флора и фауна путем использования поверхностей с особыми свойствами их смачивания. Так, например, жуки чернотелки, живущие в пустыне Намибии, где холодные воды реки Benguela, протекающие через побережье, регулярно становятся причиной туманов, и, соответственно, возможностью сбора воды. Капли воды из тумана, по надкрыльям жука, сливаются в большие капли, до тех пор, пока они не стекают под действием силы тяжести и наклона – в рот жука, через гидрофобные углубления (рис.2).

Аналогичные гидрофобные и гидрофильные свойства поверхностей позволяет получать их обработка фемтосекундным лазером – см.рис.3.

Целью исследования было имитировать надкрылья жука из пустыни Намибии, с использованием процесса ClearSurface, который сочетает в себе фемтосекундную лазерную микрообработку и покрытие поверхности. Высокая контрастность смачивания поверхности была получена в три этапа (рис. 3).

Рис.2 – Капли воды из тумана скапливаются на гидрофильных участках надкрыльев

жука до тех пор, пока они не достигают критического размера.

Затем они скатываются вниз, в рот жука, по гидрофобным впадинам.

Рис.3 – Обработка фемтосекундным лазером позволяет получать 

поверхности с гидрофобными и гидрофильными свойствами

На первом этапе фемтосекундный лазер был использован для создания микроструктурированием двойной иерархические структуры поверхности (рис. 3a). Затем, тефлоновое покрытие было обработано для переключения состояния смачивания от супергидрофильного (угол контакта <10°) до супергидрофобного состояния с углом контакта >150° (Рис.3b). Наконец, селективная абляция была использована для локального восстановления  супергидрофильных свойств поверхности (рис.3c). Если эта поверхность подвергается туману, то капельки воды растут с углом контакта <10°.

Коэффициент смачиваемости, по такой технологии, повышался на стекле до 60%.

Представленный метод позволяет изменять коэффициент смачиваемости и, соответственно, гидрофобные и гидрофильные свойства поверхностей для широкого спектра материалов, в том числе хрупких, таких как стекло. Это открывает интересные возможности в биомедицине и многих других областях.

Запотевание стекол, например, проблема широко распространенная и до сих пор ищет решения. Оно происходит на поверхности объектов, которые являются холоднее, чем их влажная окружающая сред. Например, это происходит с очками, если владелец входит с холодной улицы в теплое помещение. Другими примерами для стеклянных поверхностей, страдающими от запотевания, можно назвать шлемы, очки пловцов, автомобильные зеркала и стёкла.

Рис.4 – Поверхность стекла сухая (а) и затуманенная (b) с сильным рассеянием света;  антизапотевание поверхности имеет гидрофильные свойства спровоцировать распространение тумана на всю поверхность (c). Как следствие, рассеяние света уменьшается в увлажненном состоянии (обозначено красными стрелками).

Рис.5 – Показано визуальное восприятие текста страницы через необработанное (а)

и обработанное фемтосекундным лазером стекло, структурированное

под эффект его антизапотевания  (b).

Вода, которая конденсируется в виде мелких капель на поверхности, расфокусирует попускаемый свет и таким образом вызывает неясность изображения через стекло (рис. 4). Антизапотевание поверхностей позволяет избежать образования капель рассеяния на поверхности. Это достигается путем улучшения смачиваемости, таким образом, чтобы капли полностью были распределены по всей поверхности (рис. 4 c). Вопрос состоит в том, чтобы найти оптимальную морфологию поверхности стекла для достижения высокой смачиваемости и минимального рассеяния в то же время.

Положительное влияние структурированной поверхности лазером на светопропускание в увлажненной среде показано на рис.5. Текст размыт при рассмотрении его через необработанное стекло и чётко виден через обработанное лазером стекло.

Результаты исследований показали, что высокая прозрачность и антизапотевание поверхности стекла могут быть обеспечены путем создания соответствующих структур на его поверхности с помощью фемтосекундного лазера.

Исследования были проведены при финансовой поддержке Австрийским федеральным министерством науки, исследований и экономики, и национальным фондом научных исследований и технологий.

ИСТОЧНИК: Femtosecond laser machining of functional surfaces / VICTOR MATYLITSKY, MATTHIAS DOMKE, SANDRA STROJ, AND KLAUS HARTINGER // Industrial Laser Solutions, 2018, September/October, p.32-34; www.industriallasers.com

ПРИМЕЧАНИЕ: О российских исследованиях Университета ИТМО и ЛАЗЕРНОГО ЦЕНТРА в Санкт-Петербурге: «Влияние лазерной обработки на смачиваемость и гидрофобные / гидрофильные свойства поверхностей» см. на сайте www.laseris.ru  статью:  Игнатов А.Г. Лазерные технологии: задачи и решения // Ритм машиностроения.- 2018, №6.- С.15-17