Aplicaciones de Procesamiento de Interferencia Láser (3)

Efectos de fase-microestructura durante la estructuración de películas

Además de los cambios topográficos físicos periódicos, la interacción del patrón de interferencia del láser con el material a menudo produce efectos metalúrgicos como la transformación de fase, la recristalización, la intermetálica.reacciones, etc. Por lo tanto, se puede lograr una modulación periódica de la microestructura metalúrgica (y propiedades fisico-mecánicas dependientes) (Daniel y Dahotre 2006). Combinando

Fig. 11.19 (a) Variación de la fracción calculada de material fundido (Al y Ni) en varias capas con fluencia del láser, (b) Sección transversal calculada de película multicapa que representa fracciones de material fundido (Al y Ni) en varias capas(fluencia del láser de 300 mJ / cm2), (c) micrografía TEM que muestra capas individuales de Al y Ni después de la irradiación con patrón de interferencia del láser. (Reimpreso de Daniel et al. 2004. Con permiso. Copyright Elsevier.)

Las propiedades de la región no afectada y la región irradiada por interferencia de láser, pueden realizarse en la película compuesta de superficie.

Sivakov et al. (2005) estudiaron las transformaciones de fase periódicas inducidas por la interferencia del láser en películas de óxido de hierro debido al vapor químico depositado en sustratos de silicio. Las transformaciones de fase periódicas de hematita a magnetita yLa magnetita a wustita se ha informado sobre la base de un análisis detallado de difracción de rayos X antes y después de la radiación de interferencia con láser.

Se propuso que las transformaciones de fase reductora de hematita a magnetita y de magnetita a hematita en las regiones de alta energía son inducidas por densidad de plasma espacialmente limitada. La interacción del láser con los resultados de la película.en la generación de la columna de plasma que impide la interacción del oxígeno con el

Fig. 11.20 Patrones de difracción de rayos X de la película de hematita (a) antes y (b) después de la radiación de interferencia con láser. H y M corresponden a hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4) respectivamente. (Reimpreso de Sivakov et al. 2005. Conpermiso. Copyright Elsevier.)

CVD filma y por lo tanto facilita transformaciones reductivas. La energía para tales transformaciones periódicas es suministrada por las distribuciones de intensidad modulada en el patrón de interferencia incidente. La figura 11.20 presenta la difracción de rayos x.Patrones de la película de hematita CVD antes y después de la irradiación con láser de interferencia. Como se indica en la figura, el pico de magnetita aparece en las muestras de películas de hematita estructuradas después de la interacción con el patrón de interferencia del láser.

La formación de dominios magnéticos periódicos y no magnéticos en las películas de óxido de hierro por el procesamiento de interferencia láser ofrece varias aplicaciones (Sivakov et al. 2005).

La irradiación del patrón de interferencia del láser también puede iniciar la formación periódica de compuestos intermetálicos en la matriz homogénea y así realizar las superficies compuestas con una alta resistencia intermetálica y ductilidad dematerial de matriz. Esto se demuestra para el caso de las películas de Ni-Al depositadas en las obleas de Si. Las películas de Ni-Al (900 nm de espesor) con una relación estequiométrica de 3: 1 depositadas por pulverización con magnetrón se modificaron mediante patrones de interferencia de láser.

Sobre la base de la difracción de rayos X, se informó que el Ni Al intermetálico se forma en las áreas de interacción del láser con la película. Además, los estudios de nanoindentación indicaron que la formación de fases intermetálicas periódicas esAsociado a la modulación periódica de las propiedades mecánicas. La dureza de indentación en el rango de 10 GPa se observa en el área modificada con láser (donde tiene lugar la reacción intermetálica) en comparación con la dureza promedio de 4 GPa enáreas sin tratar (Fig. 11.21) (Liu et al. 2003).

Fig. 11.21 (a) Perfil de superficie de AFM, (b) imagen de nanoindentaciones en la región tratada con láser y (c) distribución de la dureza en un período de interferencia en una película de Ni-Al de 900 nm irradiada con patrón de interferencia de láser. (Reimpreso deLiu et al. 2003. Con permiso. Copyright Elsevier.)

Estructuración de biomateriales.

Recientemente, el procesamiento de interferencia láser para modificar las superficies de los biomateriales está atrayendo importantes intereses de investigación. Se sugirió que la química y la topografía de los biomateriales se pueden modificar favorablemente porirradiando con un patrón de interferencia de láser para una mejor interacción célula-superficie y la consiguiente adhesión, propagación y orientación de las células en la superficie. Las técnicas de interferencia para modificar las superficies de biomateriales.se basan en la ablación selectiva del material en los máximos de interferencia que dan como resultado micropatrones que consisten en crestas y surcos bien definidos. Se espera que tales micropatrones dirijan el crecimiento celular en direcciones específicas(guía de contacto). La ventaja significativa de esta técnica en comparación con el patrón aleatorio es que los micropatrones en la superficie de los biomateriales se pueden controlar de manera eficiente a las dimensiones deseadas (periodicidad, altura,y ancho de líneas o puntos) controlando los parámetros de procesamiento del láser. Además, una variedad de biomateriales como metales, cerámicas y polímeros se pueden modificar de manera efectiva (Li et al. 2003).

La mayor parte del trabajo recientemente informado sobre los estudios de patrones de interferencia de biomateriales se limita a pocos biopolímeros. Los parámetros importantes de las superficies con patrón de interferencia láser que se espera que tengan la influencia enLa adhesión celular, el crecimiento y la orientación son el ángulo de contacto, la dimensión del período, la morfología (líneas o puntos). La figura 11.22 presenta la influencia de la fluencia del láser en la profundidad del micropatrón y el ángulo de contacto en 100um de espesor.Film de policarbonato irradiado con patrón de interferencia láser. Como se indica en la figura, la profundidad del micropatrón aumenta y el ángulo de contacto disminuye con la fluencia del láser. Así, la topografía y las características de humectación.puede modificarse mediante el patrón de interferencia láser para promover la adhesión celular (Yu et al. 2005a, b).

Aunque se informan estudios extensos sobre la caracterización de las estructuras de interferencia obtenidas en diversos materiales, muy pocos estudios han informado sobre la interacción de las células con superficies modificadas con láser. Figura 11.23presenta los resultados de uno de los estudios sobre las respuestas de las células HPF (fibroblasto pulmonar humano) a las estructuras lineales y puntuales obtenidas en la superficie de las películas de policarbonato (PC) por interferencia de láser de dos o más rayos. loslas células cultivadas en las superficies estructuradas eran en su mayoría similares a husos y bipolares. Además, como se indica en las fotografías de luz, las células cultivadas en los patrones de líneas muestran un crecimiento direccional paralelo a las líneas, mientras que las células cultivadas enlos patrones de puntos mostraron mayormente orientaciones aleatorias (Yu et al. 2005a).

Para resumir, el procesamiento de interferencia láser de materiales metálicos, poliméricos y cerámicos avanzados ofrece un enorme potencial para ser utilizado en aplicaciones donde se desea una modulación periódica de las propiedades y la topografía. La tecnologíaTodavía es relativamente nuevo y presenta varias direcciones para la investigación. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios abordaron la caracterización de patrones periódicos en varios sistemas y la influencia paramétrica de los parámetros del láser en la morfología.y topografía de las estructuras de interferencia generadas en las superficies del material. La modulación de la intensidad de energía en el patrón de interferencia da lugar a la complejidad de los efectos térmicos, como la temperatura no homogénea.Distribuciones, gradientes de temperatura, velocidades de enfriamiento y tensiones térmicas. Estos efectos térmicos tienen una fuerte influencia en el flujo de fluidos, la solidificación, el desarrollo de la microestructura, las tensiones térmicas, etc. Una combinación de modelado yLos estudios experimentales sobre la interacción láser-material durante el procesamiento de la interferencia proporcionarán más información para el avance del proceso en las aplicaciones emergentes.

Fig. 11.22 Efecto de la fluencia del láser en (a) la profundidad de la línea micropattern (período 5um) y (b) el ángulo de contacto después de la irradiación de interferencia del láser con láser Nd: YAG de Q-switch de longitud de onda 266 nm. (Reimpreso de Yu et al. 2005a. Conpermiso. Copyright American Chemical Society.)

Referencias 475

Fig. 11.23 Fotografías de luz que muestran células HPF cultivadas en películas de PC estructuradas con interferencia láser: (a) patrón de líneas con un período de 3um, (b) patrón de líneas con un período de 9um, (c) patrón de puntos con un período de 5um y (d) puntoPatrón con un periodo de 7um. Todos los sustratos fueron recubiertos con colágeno. (Reimpreso de Yu et al. 2005a. Con permiso. Copyright American Chemical Society.)