De oppervlakken van materialen kunnen een enorme invloed hebben op hun functie. Als de externe eigenschappen worden gewijzigd, dit vergroot ook het scala aan mogelijke toepassingen. Daarom onderzoeken materiaalwetenschappers van de Friedrich Schiller Universiteit Jena (Duitsland) hoe ze de oppervlakken van verschillende materialen kunnen aanpassen met behulp van lasertechnologie. Ze richten zich voornamelijk op lasergeïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren, ook wel bekend als LIPS. Met deze methode kunnen bijzonder kleine structuren worden gemaakt. Over een heel bijzonder succes op dit gebied rapporteren ze in het internationaal gerenommeerde vakblad Koolstof .

"Wanneer een oppervlak wordt bestraald met een femtoseconde laser - een laser met zeer korte en intense lichtpulsen - worden karakteristieke structuren gevormd op het punt waar de laserstraal het oppervlak raakt, " legt Dr. Stephan Gräf uit van het Otto Schott Institute of Materials Research aan de Universiteit van Jena. "Interferentie-effecten op dit brandpunt creëren de LIPSS." Deze structuren zijn veel kleiner dan die welke worden bereikt met normale laserstructurering, omdat een laserstraal niet kan worden gefocust als klein zoals gewenst.De grootte van de constructies hangt af, onder andere parameters, op de laserintensiteit en de gebruikte lasergolflengte. Op basis van een zorgvuldige aanpassing van de laserstraalparameters, de constructies kunnen bijna op maat worden vervaardigd. Grote delen van het periodieke patroon kunnen worden gerealiseerd door het hele oppervlak met de laserstraal te scannen.

Nu ook op sterk gebogen oppervlakken

Over het algemeen, de methode werkt op veel verschillende materiaalklassen; echter, tot nu toe kon het alleen worden toegepast op vlakke oppervlakken. De wetenschappers van Jena zijn er nu in geslaagd om lasergeïnduceerde periodieke structuren op sterk gekromde oppervlakken te produceren. "We hebben LIPSS gerealiseerd op het oppervlak van ongeveer tien micrometer dunne koolstofvezels - hun diameter is nauwelijks groter dan de structuren zelf, " zegt Gräf. "Bovendien, we waren in staat om verschillende soorten structuren over elkaar heen te leggen en zo het oppervlak hiërarchisch vorm te geven."

Deze huidige bevindingen zullen volledig nieuwe mogelijkheden bieden in praktische toepassingen. Bijvoorbeeld, koolstofvezels zijn ingebed in andere materialen zoals polymeren voor het vervaardigen van composietmaterialen. Om de sterkte van composietmaterialen te verbeteren, zij hebben, tot nu, behandeld met chemicaliën, bijvoorbeeld. Met dank aan LIPS, hun oppervlaktetopografie kan nu specifiek worden gewijzigd, zodat verankering tussen polymeer en ingebedde vezels kan plaatsvinden.

Duurzamere materialen

In aanvulling, de structuren fungeren als een optisch diffractierooster. Ze maken het mogelijk om het reflectie- en absorptiegedrag van licht op oppervlakken op een specifieke manier te veranderen. Hetzelfde geldt ook voor de diffractie van licht. Op basis van zogenaamde 'structurele kleuren, " is het mogelijk om oppervlakken selectief in kleur te ontwerpen. laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren krijgen steeds meer belangstelling voor optische toepassingen.

En LIPSS heeft ook een positieve invloed op de duurzaamheid van materialen:"Door de oppervlaktetopografie te veranderen, de wrijvingscoëfficiënt kan worden verminderd en slijtage kan daardoor worden voorkomen, ", zegt materiaalwetenschapper Gräf van de universiteit van Jena. "Bijvoorbeeld, op deze manier zouden duurzamere implantaten kunnen worden ontwikkeld." de bevochtigingseigenschappen van materialen kunnen op deze manier worden gewijzigd. Ze kunnen daarom worden ontworpen om meer hydrofoob of hydrofiel te zijn.