Влияние лазерной обработки поверхности алюминиево-магниевого сплава на «самосборку» наночастиц при испарении капель коллоидных растворов

Об авторах:

Батищева Ксения Артуровна, аспирант, инженер научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; bka1801@mail.ru; ORCID: 0000-0002-2810-6769

Вымпина Юлия Николаевна, аспирант, инженер отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; ynp2@tpu.ru

Орлова Евгения Георгиевна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; lafleur@tpu.ru

Аннотация:

Установление характеристиками процесса «самосборки» микронных и субмикронных частиц при испарении капель коллоидных растворов с поверхностей твердых тел является актуальной задачей из-за возможности применения получаемых с помощью капельных технологий структур для создания и оптимизации производства устройств прямого и непрямого жидкостного охлаждения, рабочих плат электронных и сенсорных устройств, токопроводящих покрытий, оптических кристаллов и хемосенсоров. Использованный в настоящей работе способ обработки поверхностей металлов и сплавов лазерным излучением является перспективным для управления процессами, протекающими на границе раздела жидкость / газ / твердое тело.

Целью настоящей работы являлся анализ влияния обработки лазерным излучением поверхности широко применяемого в промышленности алюминиево-магниевого сплава на образование слоя частиц при испарении капель коллоидных растворов.

Поверхности образцов обрабатывались двумя способами — галтовкой и наносекундными лазерными импульсами. Геометрические параметры испаряющихся с поверхностей образцов капель коллоидных растворов определялись по теневой методике. Для обработки полученных теневых изображений использовался метод Юнга — Лапласа. Фотоизображения образовавшихся при испарении капель коллоидных растворов слоев частиц получены с помощью сканирующего электронного микроскопа.

В результате проведения экспериментов установлено влияние образованной на поверхности образца алюминиево-магниевого сплава текстуры на морфологию слоя полистирольных наночастиц при испарении капель коллоидных растворов: в результате «самосборки» частиц образуются твердые осадки в виде вытянутых под действием капиллярной силы параллельно вектору движения луча лазера (при нанесении текстуры) колец. При испарении растворителя из капли раствора на текстурированной поверхности помимо кольца образовывался однородный слой полистирольных частиц. Установлено, что с ростом концентрации частиц в растворе увеличиваются размеры радиально-направленных трещин на образованных в результате отложения частиц кольцах. При относительно малой объемной концентрации частиц трещины на кольцах не зарегистрированы.

Список литературы:

1. Бойнович Л. Б. Супергидрофобные покрытия — новый класс полифункциональных материалов / Л. Б. Бойнович // Вестник Российской академии наук. 2013. Том 83. № 1. С. 10-22.

2. Дмитриев А. С. Об испарении жидкости из капель коллоидных растворов наночастиц SiO₂ и Fe₂O₃ / А. С. Дмитриев, П. Г. Макаров // Коллоидный журнал. 2015. Том 77. № 2. С. 144-151.

3. Домантовский А. Г. Текстурированные материалы с экстремальным смачиванием для сбора воды из аэрозолей / А. Г. Домантовский, А. М. Емельяненко, Л. Б. Бойнович // Доклады академии наук: физическая химия. 2019. Том 489. № 5. С. 478-482.

4. Климков Ю. М. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / Ю. М. Климков, В. С. Майоров, М. В. Хорошев. М: МИИГАиК, 2014. 108 с.

5. Молчанов С. П. Три сценария испарения микролитровых капель дисперсий и структура формирующихся кольцевых осадков / С. П. Молчанов, В. И. Ролдугин, И. А. Чернова-Хараева // Коллоидный журнал. 2015. Том 77. № 6. С. 764-774.

6. Молчанов С. П. Факторы, определяющие динамику формирования и структуру кольцевых осадков, образующихся при капиллярной самосборке частиц / С. П. Молчанов, В. И. Ролдугин, И. А. Чернова-Хараева, Г. А. Юрасик, И. Н. Сенчихин // Коллоидный журнал. 2018. Том 80. № 1. С. 63-77.

7. Назаров В. Г. Модифицированные полимерные подложки для формирования ансамблей субмикронных частиц из коллоидного раствора / В. Г. Назаров, В. П. Столяров // Коллоидный журнал. 2016. Том 78. № 1. С. 59-67.

8. Степанов-Лебедев П. В. Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент / П. В. Степанов-Лебедев, Р. М. Кадушников, С. П. Молчанов и др. // Российские нанотехнологии. 2013. Том 8. № 3-4. С. 5-23.

9. Amjad M. Deposition pattern and tracer particle motion of evaporating multi-component sessile droplets / M. Amjad, Y. Yang, G. Raza, H. Gao, J. Zhang, L. Zhou, X. Du, D. Wen // Journal of Colloid and Interface Science. 2017. Vol. 506. С. 83-92.

10. Fathi F. Investigation of optical and physical property in opal films prepared by colloidal and freeze-dried microspheres / F. Fathi, P. Chaghamirzaei, S. Allahveisi, S. Ahmadi-Kandjani, M. R. Rashidi // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. Vol. 611. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125842

11. Ghosh S. Three-dimensional microplate formation with evaporating nanoparticle suspensions on superhydrophobic surfaces / S. Ghosh // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 529. Pp. 901-906.

12. He A. Nanosecond laser ablated copper superhydrophobic surface with tunable ultrahigh adhesion and its renewability with low temperature annealing / A. He, W. Liu, W. Xue, H. Yang, Y. Cao // Applied Surface Science. 2018. Vol. 434. Pp. 120-125.

13. Hu Y. Evaporation and particle deposition of bi-component colloidal droplets on a superhydrophobic surface / Y. Hu, B. Zhao, S. Lin, X. Deng, L. Chen // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 159. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120063

14. Long J. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of picosecond laser microstructured aluminum in ambient air / J. Long, M. Zhong, H. Zhang, P. Fan // Journal of Colloid and Interface Science. 2015. Vol. 441. Pp. 1-9.

15. Malla L. K. Analysis of profile and morphology of colloidal deposits obtained from evaporating sessile droplets / L. K. Malla, R. Bhardwaj, A. Neild // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2019. Vol. 567. Pp. 150-160.

16. Malla L. K. Colloidal deposit of an evaporating sessile droplet on a non-uniformly heated substrate / L. K. Malla, R. Bhardwaj, A. Neild // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2020. Vol. 584. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2019.124009

17. Ngo C. V. Fast wettability transition from hydrophilic to superhydrophobic laser-textured stainless steel surfaces under low-temperature annealing / C. V. Ngo, D. M. Chun // Applied Surface Science. 2017. Vol. 409. Pp. 232-240.

18. Popov Yu. O. Evaporative Deposition Patterns: Spatial Dimensions of the Deposit / Yu. O. Popov // Physical Review. 2005. Vol. 71. P. 036313. DOI: 10.1103/PhysRevE.71.036313

19. Qin F. Controlled 3D nanoparticle deposition by drying of colloidal suspension in designed thin micro-porous architectures / F. Qin, M. Su, J. Zhao, et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 158. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120000

20. Wang W. On-demand contact line pinning during droplet evaporation / W. Wang, Q. Wang, K. Zhang, X. Wang, A. Riaud, J. Zhou // Sensors and Actuators B: Chemical. 2020. Vol. 312. DOI: 10.1016/j.snb.2020.127983