Zaawansowane metody modyfikacji powierzchni materiałów
Trwałość eksploatacyjna elementów maszyn, urządzeń, elementów konstrukcyjnych, narzędzi oraz wielu innych wyrobów, znajdujących zastosowanie w różnych dziedzinach życia, istotnie zależy od postępu jaki dokonuje się w głównej mierze dzięki zaawansowanym metodom i technikom modyfikacji ich powierzchni. Pozytywne efekty oddziaływania modyfikacji powierzchni na własności materiałów obserwuje się w obszarach nowoczesnych materiałów katalitycznych, foto aktywnych, medycznych, funkcjonalizowanych powierzchniowo do różnych zastosowań i wielu podobnych. Wynika to wprost z faktu, że własności funkcjonalne produktów i ich elementów są zależne nie tylko od możliwości przenoszenia obciążeń mechanicznych lub od własności fizykochemicznych, lecz bardzo często też od struktury i własności ich warstw powierzchniowych. Bez wątpienia osiągnięcia Zespołów badawczych Politechniki Śląskiej z dużym sukcesem wpisują się w trendy rozwojowe tego obszaru Materiałów Przyszłości.
W zakresie zaawansowanych metod modyfikacji powierzchni materiałów, do wybranych obszarów, wyznaczających jednocześnie podstawowe kierunki badań zaliczają się np. nowoczesne materiały do zastosowań w katalizie heterogenicznej. Katalizatory są współcześnie wykorzystywane w ponad 90% procesów przemysłowych, przyczyniając się do wzrostu ich wydajności i obniżenia kosztów. Decydujące znaczenie dla przebiegu reakcji z użyciem katalizatorów odgrywają zjawiska zachodzące w skali atomowej, na granicy pomiędzy powierzchnią katalizatora i środowiskiem reakcji - gazowym lub ciekłym. Realizowana w tym zakresie tematyka badawcza obejmuje dwa kierunki. Pierwszym z nich jest otrzymywanie katalizatorów w postaci nanocząstek o wymiarach pojedynczych nanometrów, równomiernie rozmieszczonych na powierzchni nośnika o silnie rozwiniętej powierzchni. Szczególnie perspektywiczne są badania zmierzające do wytworzenia stabilnych i selektywnych katalizatorów jednoatomowych. Wzrost powierzchni aktywnej osiągany jest również poprzez zmianę kształtu katalizatora (nanodruty, nanogwiazdki, nanoramki). Drugi kierunek obejmuje z kolei modyfikację powierzchni nośników, przede wszystkim węglowych. Stan ich powierzchni (stopień zdefektowania, obecność grup funkcyjnych) decyduje o stopniu dyspersji i stabilności nanokatalizatorów oraz własnościach elektronowych całego układu katalitycznego.
Fotoaktywne warstwy organiczne to kolejny przykład badań w tym zakresie. Dzięki właściwościom elektrofilowym, tlen singletowy reaguje z nienasyconymi wiązaniami węgiel-węgiel, neutralnymi nukleofilami czy anionami, co czyni go interesującym do zastosowań w syntezie związków fine chemicals, oczyszczaniu wody czy w Terapii Fotodynamicznej (PDT). Zastosowanie tlenu singletowego jako czynnika utleniającego w syntezie skutkuje zazwyczaj zwiększeniem wydajności i selektywności reakcji, a dodatkowo wykorzystanie energii słonecznej jako czynnika aktywującego fotouczulacz pozwala na znaczące obniżenie kosztów procesu. Dodatkowo, wykazano, że tlen singletowy posiada silne właściwości bakteriobójcze. W ostatnich latach szeroko badana jest możliwość wykorzystania organicznych warstw fotoaktywnych jako powłok antybakteryjnych.
W celu eliminowania niepożądanych odpowiedzi układu immunologicznego może być stosowana hybrydowa modyfikacja powierzchni materiałów bezpośrednio kontaktujących się z tkankami. Laserowa mikro/nano modyfikacja powierzchni materiałów biomedycznych stosowana jest w celu wytworzenia hierarchicznej tekstury, która umożliwia zmianę ich własności powierzchniowych, np. swobodnej energii powierzchniowej oraz zwilżalności. Pozwala na wytworzenie wysoce biozgodnej, hydrofobowej warstwy mającej duży potencjał do zastosowania wewnątrzustrojowego, np. w układzie krwionośnym, kostnym oraz w obrębie układu stomatognatycznego. Z drugiej strony rozwinięcie powierzchni biomateriałów dedykowanych kości sprzyja procesom osteointegracji. Dodatkowo w efekcie ablacji laserowej na powierzchni obrabianych stopów tytanu dochodzi do zintensyfikowania tworzenia tlenku tytanu, co przyczynia się do zwiększenia ich odporności na korozję. Połączenie tego typu obróbki z wytwarzaniem zaawansowanych cienkich powłok PVD pozwala na selektywną obróbkę mikroobszarów gwarantując uzyskanie np. kontrolowanego rozwinięcia powierzchni, gradientu stężeń pierwiastków stanowiących powłokę, przez co poprawia się wybrane własności implantów w środowisku organizmu. Uzyskanie funkcjonalnych implantów o lepszych własnościach jest także możliwe dzięki modyfikacji powierzchni metodą osadzania cienkich warstw atomowych (Atomic Layer Deposition ALD). Zastosowanie warstw tlenków w aplikacjach biomedycznych wzbudziło zainteresowanie ze względu na ich wysoką stabilność chemiczną, zadowalającą biokompatybilność i możliwy wysoki potencjał antybakteryjny. Jednak w mikroskali ważnym czynnikiem jest również topografia powierzchni, która może wpływać na odpowiedź komórkową. Ogólnie, im większa jest efektywna (rzeczywista) powierzchnia, tym wyższy jest stopień przylegania kości do implantu - dodatnia zależność między chropowatością powierzchni a wytrzymałością zakotwiczenia implantu. Kolejną metodą modyfikacji powierzchni implantów dedykowanych kościom i nie tylko jest utlenianie anodowe. Stosowane jest ono głównie do obróbki tytanu i jego stopów. W wyniku tego procesu można wytwarzać warstwy tlenkowe w zależności od potencjalnego zastosowania implantu. W przypadku implantów, których okres użytkowania jest krótki stosuje się proces klasyczny, w którym wytworzona warstwa tlenkowa odwzorowuje podłoże. Z kolei w przypadku implantów trwale zrastających się z kością można stosować wysokonapięciowy wariant tej metody, tzw. plazmowe utlenianie elektrochemiczne (PEO). Dzięki procesowi PEO możliwe jest wytwarzanie porowatych warstw tlenkowych, jednocześnie wzbogaconych w składniki elektrolitu, np. Ca, P, Si, a więc w pierwiastki budujące kość. Jednocześnie do elektrolitu można dodać czynniki bakteriobójcze (ZnO, Ag, Cu, inne), dzięki czemu uzyskuje się wysoce bioaktywną i bakteriostatyczną warstwę tlenkową. Proces plazmowego utleniania elektrochemicznego z powodzeniem może być stosowany także do modyfikacji innych materiałów konstrukcyjnych, znacząco zwiększając ich odporność na korozję. Są to głównie stopy aluminium i magnezu, będące jednymi z ważniejszych materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym i samochodowym.
Natomiast cienkowarstwowe nanowłókniste powłoki o unikatowych własnościach optoelektronicznych są obecnie intensywnie badane w wielu ośrodkach naukowych na całym świecie. Technika elektrospiningu umożliwia wytwarzanie cienkich powłok zarówno polimerowych, jak i kompozytowych. Techniką elektroprzędzenia można otrzymywać nie tylko powłoki nanowłókniste, lecz również samodzielne materiały. Do najczęściej wytwarzanych i badanych pod kątem zastosowania w optyce i elektronice nanowłóknistych powłok należą materiały o osnowie polimerowej z dodatkiem nanocząstek metali, tlenków metali oraz materiałów węglowych, a także materiały ceramiczne bazujące na tlenkach metali, np. TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, Bi2O3. Materiały tego typu mają bardzo szeroki potencjał aplikacyjny obejmujący m.in. powłoki antyrefleksyjne, lasery, układy scalone, sensory do detekcji gazów, diody, nowoczesne ogniwa fotowoltaiczne, biosensory, membrany filtracyjne.
Bardzo szeroko badane i wykorzystywane są zagadnienia kształtowania struktury i właściwości warstw wierzchnich w procesach laserowej obróbki powierzchniowej. Problematyka kształtowania właściwości warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego w procesie stopowania laserowego, ukierunkowana jest np. na syntezę warstw kompozytowych wzmacnianych in situ węglikiem tytanu (TiC). Opracowane zostało nowatorskie podejście do sterowania ww. procesem syntezy warstw kompozytowych in situ, polegające na sterowaniu zarówno warunkami termicznymi w jeziorku spawalniczym, jak i składem chemicznym ciekłego metalu jeziorka przez odpowiedni dobór składu chemicznego materiału stopującego. Dobór składu chemicznego materiału stopującego uwzględniał zarówno jego wpływ na morfologię i skład chemiczny fazy wzmacniającej TiC, skład fazowy materiału osnowy warstwy, jak i jednorodność chemiczną warstwy przez oddziaływanie na intensywność ruchów konwekcyjnych w jeziorku spawalniczym. Równie duży potencjał naukowy jak i aplikacyjny istnieje w odniesieniu do pozostałych metod modyfikacji powierzchni w procesach wysokoenergetycznych: napawania, stopowania, przetapiania oraz hartowania powierzchniowego metodami laserowymi, plazmowymi oraz zawansowanymi metodami łukowymi.
Doświadczony zespół Naukowców Politechniki Śląskiej realizujący badania w zakresie zaawansowanych metod modyfikacji powierzchni materiałów z powodzeniem prowadzi badania podstawowe na światowym poziomie oraz opracowuje technologie wpływające na postęp i wyznaczające nowe kierunki oraz trendy rozwojowe, gwarantując przy tym duży potencjał aplikacyjny.
