Возможности лазерных технологий для снижения биообрастания металлов в водной среде
Лазеры в науке, Научная библиотека 21.07.2023 Комментарии к записи Возможности лазерных технологий для снижения биообрастания металлов в водной среде отключеныИ. А. Филатов, Е. А. Давыдова, Н. Н. Щедрина, А. О. Пельтек, В. М. Прокопьев, Г. В. Одинцова // Фотоника, 4-2022
В статье предложена технология лазерного структурирования поверхности металлов с целью защиты их поверхности от биообрастания. Данная технология предполагает обработку материала до помещения его в водную среду. В работе использовались сплавы нержавеющей стали и дюралюминия. Рассмотрено влияние лазерного структурирования на угол смачивания и взаимодействие лазерно-структурированных поверхностей металлов с микроорганизмами в воде. Выявлена положительная динамика в защите от колонизации микроорганизмов на поверхности металлов после лазерной обработки.
Методы и материалы
Структурирование образцов проводилось при нормальных условиях в воздушной атмосфере с использованием технологической установки на базе импульсного иттербиевого волоконного лазера мощностью 50 Вт с длиной волны λ = 1,064 мкм, генерирующего импульсы с частотой 50–100 кГц и длительностью 100 нс. В качестве экспериментальных образцов были взяты пластины нержавеющей стали AISI 430 (St) и дюралюминия АМцМ (Al). Данные сплавы были выбраны потому, что они являются наиболее распространенными сплавами, используемыми при изготовлении корпусов и других конструкторских деталей кораблей. При выборе лазерного источника важным фактором было то, что выбранные нами сплавы имеют пик поглощения на длине волны лазерного источника, что делает процесс обработки данных образцов эффективным. Морфология поверхностей изучалась на оптическом микроскопе Zeiss Axio Imager A1М. С помощью контактного профилометра Hommel Werke T8000 также изучалась морфология и топология поверхности.
Для проведения экспериментов по исследованию зависимости угла смачивания подложек из сплавов, подвергнутых различной лазерной обработке, от времени нахождения образцов в воде мы помещали образцы в аквариум с водой из Финского залива. Исследовательский набор состоял из неструктурированных образцов и образцов, полученных сразу после лазерного структурирования. Идея эксперимента заключалась в том, что поверхность приобретает гидрофобные свойства за счет адсорбции органических соединений из окружающей среды на поверхность оксида, образованного под воздействием лазерного излучения. При этом за счет образования новых функциональных групп состояние смачивания меняется [18]. Поэтому мы решили после лазерного структурирования выдерживать образцы на воздухе в течение 3‑х недель для осаждения на их поверхности органических соединений. Для ускорения процесса перехода в гидрофобное состояние был также использован низкотемпературный отжиг в муфельной печи ПМ‑10 в течение 3 часов при температуре 100 °C. Все образцы помещались в аквариум с водой из Финского залива, замеры углов смачивания производились каждую неделю в течение месяца.
Для оценки степени биообрастания биопленка, образующаяся на поверхности образцов, измерялась на конфокальном микроскопе Leica TCS SP8. Перед этим образцы фиксировались формалином, а затем использовался пропидий йодид, который окрашивает ядра организмов, находящихся в воде.
Результаты и обсуждение
1. Лазерное формирование микроструктур на поверхности металлов с различным углом смачивания
В нашем исследовании мы ориентировались на первичный и вторичный этап биообрастания. Поэтому нами было исследовано поведение таких микроорганизмов, размеры которых варьировались в диапазоне от 50 мкм до 1000 мкм, как кладофора (лат. Cladaphora), балянусы (лат. Balanus), диатомовые водоросли (лат. Diatomeae), усоногие личинки (лат. Cirripedia) и иные организмы подобных размеров. Мы считаем, что для обеспечения наименьшего сцепления данных организмов с поверхностью период создаваемого микрорельефа должен составлять не более 100 мкм. Также известно, что гидрофобные свойства могут защищать поверхности от процесса биообрастания благодаря низкой поверхностной энергии на границе раздела твердого тела и воздуха, что не дает клейкому адгезиву микроорганизмов взаимодействовать с материалом [9]. На рис. 1 показано схематическое представление лазерного структурирования металлов для формирования гидрофобных свойств и поведения данной лазерно-индуцированной поверхности в водной среде по сравнению с необработанной.
При подборе режимов структурирования мы взяли за основу получаемой геометрической структуры гидрофобные рельефы лотоса и розы, имеющие так называемые столбики размерами порядка 50 мкм и 16 мкм соответственно и обладающие высотой порядка 10 мкм.
На каждом образце были созданы структуры размером 7 × 7 мм, лазерная запись производилась в плоскостях таким образом, чтобы получаемые канавки были перпендикулярны друг другу, образуя решетку (рис. 2). Полученные канавки имели ширину 34 мкм, а глубину – 10–12 мкм. Исходя из параметра шага сканирования лазерным пучком (М) в 50 мкм и 100 мкм, размеры выступов (столбиков) были 16 мкм и 66 мкм соответственно. На каждую неделю замеров углов смачивания было подготовлено по 5 образцов для одного вида обработки и одного значения шага сканирования для индивидуальных режимов обоих металлов. На рис. 2 предоставлены снимки морфологии поверхности алюминия и стали с оптического микроскопа, а также профилограммы этих поверхностей.
По замерам углов смачивания были получены графики зависимости этих углов от времени пребывания образцов в воде (рис. 3). На графиках значение, указанное для первого дня, – это угол смачивания образца до момента помещения его в аквариум. В некоторых случаях угол смачивания равен 180 градусов, что связано с невозможностью измерить угол, так как капля не помещалась на поверхность, а оставалась на механическом диспансере Satorius.
В ходе исследования полученных результатов для неструктурированных образцов явной зависимости не наблюдается. Для образцов, чье исследование начиналось сразу после лазерного структурирования, через месячный период нахождения в аквариуме наблюдается небольшой прирост угла для всех режимов.
Для получения гидрофобных и супергидрофобных структур мы оставляли наши образцы после лазерного структурирования на воздухе на 3 недели для осаждения органики, а для ускорения данного процесса другие образцы после лазерного структурирования подвергали низкотемпературному отжигу в муфельной печи. В результате мы смогли получить гидрофобные углы для дистиллированной воды до помещения образцов в аквариум. На образцах, которые находились 3 недели на воздухе после лазерного структурирования, были получены бóльшие гидрофобные значения для большинства режимов. Однако данные образцы утрачивали свою гидрофобность после нахождении в воде. Мы считаем, что энергия связи органических соединений с оксидами на поверхности металлов была недостаточно высока, и органические соединения смывались водой.
Таким образом, перед помещением образцов в водную среду для обоих металлов при шаге сканирования 50 мкм (при обработке для гидрофобизации поверхности) удалось получить гидрофобные углы больше, чем для обработки с шагом сканирования 100 мкм. Это вызвано тем, что при увеличении шероховатости гидрофобной поверхности в рамках одного материала увеличиваются и гидрофобные свойства, то есть растет контактный угол смачивания.
2. Оценка степени биообрастания поверхности металлов до и после лазерной обработки
На рис. 4 показаны результаты степени биообрастания на образцах с различной обработкой. По оси абсцисс указано время нахождения образцов в воде, взятой из прибрежной зоны Финского залива, а по оси ординат указана интенсивность флуоресцентного свечения, которое дают ядра микроорганизмов. Таким образом качественная оценка степени обрастания проводилась по флуоресцентному свечению ядер.
Результаты показали наименьшее биообрастание при лазерном структурировании и последующей продолжительной выдержке на воздухе. Анализ графических зависимостей позволил сделать вывод, что именно при данной обработке (лазерное структурирование и продолжительная выдержка на воздухе) микроорганизмы не находили данные структуры удобными для колонизации, что связано с супергидрофобными значениями углов.
Полное содержание на https://www.photonics.su/files/article_pdf/9/article_9427_188.pdf
Ранее по теме:
