Oppervlaktefunctionalisatie via micro-/nanostructurering is niet alleen een bloeiend onderzoeksgebied geïnspireerd door bionica, maar ook van groot belang voor verschillende praktische toepassingen. De sleutel tot het bereiken van verschillende oppervlaktefuncties is de fabricage van micro-/nanostructuren aan het oppervlak met gecontroleerde afmetingen, hiërarchieën en composities, wat de voortdurende vooruitgang van micro-/nano-fabricagetechnieken aanstuurt.
Onderzoekers van het Laser Materials Processing Research Center van de School of Materials Science and Engineering van de Tsinghua Universiteit, China, hebben jarenlang lasergebaseerde fabricagetechnieken ontwikkeld voor het voorbereiden van micro-/nanostructuren aan het oppervlak en het onderzoeken van hun functionele toepassingen.
Het werk met de titel “Localized in-situ deposition: a new dimension to control in fabricating surface micro/nanostructures via ultrafast laser ablation” werd gepubliceerd in Grenzen van opto-elektronica.
De onderzoekers hebben de mogelijkheden ontwikkeld om de kenmerken op micro- en nanoschaal afzonderlijk en nauwkeurig te controleren, en ook om te bepalen hoe ze worden gecombineerd om verschillende soorten structuren met meerdere niveaus te vormen, zeggen de onderzoekers. De functies en toepassingen die ze hebben bestudeerd omvatten extreme bevochtigbaarheid, anti-ijsvorming, breedbandlichtabsorptie, structurele kleuren, verdamping van zonnewater, beheer van thermische interfaces, tribologische eigenschappen, oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie en foto-elektrokatalyse voor energietoepassingen, enz.
Het verkrijgen van meer controle over de constructiefabricage met behulp van ultrasnelle lasers en het ontwikkelen van flexibelere fabricagebenaderingen is een van hun voortdurende onderzoeksfocus. Naast het controleren van het ultrasnelle laserablatieproces hebben ze onlangs aangetoond dat de in-situ afzetting van deeltjes na ultrasnelle laserablatie van vaste oppervlakken ook kan worden gecontroleerd en gebruikt als een gelokaliseerd micro-additief proces om hiërarchische oppervlaktestructuren op te stapelen.
De vorming van plasmapluimen is een universeel fenomeen dat optreedt tijdens gepulseerde laserablatie van vaste stoffen. De producten (nanodeeltjes) uit de plasmapluimen kunnen worden opgevangen voor gebruik door externe vloeistoffen (in het geval van laserablatie in vloeistoffen) of substraten (in het geval van gepulseerde laserdepositie).
Daarentegen zetten sommige nanodeeltjes uit de plasmapluimen zich in situ terug op de bestraalde oppervlakken tijdens ultrasnelle laseroppervlaktestructurering. Voor specifieke toepassingen spelen de in situ afgezette structurele kenmerken een belangrijke rol bij het verbeteren van oppervlakte-eigenschappen zoals lichtabsorptie, gevoeligheid en energieconversie.
Of en hoe het in-situ depositieproces kan worden gecontroleerd, blijft echter een open vraag. Hun recente studies toonden aan dat het mogelijk is om het in-situ depositieproces te controleren, bijvoorbeeld door fortachtige structuren bovenop microkegel-arrays te bouwen in plaats van alleen maar willekeurig verdeelde nanodeeltjes te produceren. Het onthulde laser-materie-interactiemechanisme kan toekomstige onderzoeksinteresses motiveren om nieuwe mogelijkheden te onderzoeken bij de fabricage van functionele micro-/nanostructuren aan het oppervlak met behulp van ultrasnelle lasers.