V dosežku, ki je nastal pod vodstvom vodje podoktorskega projekta, dr. Mateja Hočevarja (prvi avtor članka) v sodelovanju s strokovnjaki na področju laserske funkcionalizacije površinske in nanobiologije ter nanotoksikologije pojasnimo, kako obdelava nerjavnega jekla z nanosekundnimi bliski Nd:YAG laserja vpliva na interakcijo med funkcionalizirano kovinsko površino in kostnimi celicami. Rezultati kažejo, da razvoj nanostrukturirega površinskega oksida zmanjša adhezijo celic in povzroči celični stres. Pokazali smo, da začetna interakcija (v prvih 24 urah) med celicami in lasersko spremenjeno površino povzroči spremembo oblike celice iz poligonalne v okroglo. S tem se zmanjša površina celice in stika celice s podlago. Celice na lasersko spremenjenih površinah so manj razraščene, s kratkimi cevastimi izrastki ter prekomerno ekspresijo zunajceličnih veziklov, kar redko opazimo na neobdelanih in steklenih kontrolnih vzorcih. Do tega najverjetneje pride zaradi nastanka nanostrukturiranih, visokotemperaturnih oksidov, ki so posledica laserske ablacije. Analiza površinske kemije lasersko obdelanih površin s spektroskopijo fotoelektronov, vzbujenih z rentgenskimi žarki (XPS) razkrije vsebnost heksavalentnega kromovega oksid. Ta je bolj toksičen od naravnega oksidnega sloja na neobdelanih vzorcih. Predstavljeni rezultati kažejo, da se kostne celice že v prvih 24 urah odzovejo na kombinacijo spremenjene površinske topografije, hrapavosti in omočljivosti. Doseženi rezultati potrjujejo velik potencial laserskega inženiringa površin kot metode za obvladovanje/doseganje biokompatibilnosti površin.
COBISS.SI-ID: 14290947
V dosežku, ki je nastal pod vodstvom vodje podoktorskega projekta, dr. Mateja Hočevarja (vodilni avtor članka) v sodelovanju s strokovnjaki na področju laserske površinske funkcionalizacije pojasnimo, dolgoročni vpliv parametrov laserske obdelave na razvoj (super) hidrofobnosti in stabilnost površine nerjavnega jekla. Nadzor omočljivosti površine predstavlja pomemben izziv na področju površinske funkcionalizacije materialov za uporabo v biomedicinske namene. Omočljivost površine nerjavnega jekla smo spreminjali s pomočjo Nd: YAG (? = 1064 nm) laserja z bliski dožine 30-ns in fluenco bliskov v območju 3,3–25,1 J cm-2. Kratkoročne (40 dni), vmesne (100 dni) in dolgoročne (1 leto) spremembe omočljivosti lasersko teksturiranih površin, ki smo jih izpostavili atmosferskemu zraku, smo ocenili glede na parametre laserske obdelave (fluenca bliskov, razmik med skenirnimi linijami, pozicioniranje glede na gorišče laserskega snopa in v odvisnosti od periode močenja pri meritvah kontaktnih kotov). Rezultati kažejo, da lahko zgolj kratkotrajna ocena privede do napačnih zaključkov in da hitrejši razvoj hidrofobnosti takoj po laserskem teksturiranju običajno vodi do nižjega končnega kontaktnega kota in obratno. Počasnejši je ta prehod, bolj superhidrofobna je na koncu površina. V odvisnosti od fluence laserskih bliskov lahko lasersko obdelane površine razvijejo stabilno ali nestabilno hidrofobnost. Če je presežena mejna fluenca 12 J cm-2, opazimo stabilno hidrofobnost. Pokazali smo, da lahko z nanosekundnim laserskim teksturiranjem površine dosežemo t.i. lotosov pojav s kontaktnim kotom nad 150o in zdrsnim kotom pod 5o.
COBISS.SI-ID: 16343835
Dosežek vodje podoktorskega projekta, Dr. Matej Hočevarja v sodelovanju s strokovnjaki na področju laserske funkcionalizacije površin in prenosa toplote pomembno prispeva k razumevanju vpliva kritične gostote toplotnega toka na spremembe površinske kemije in morfologije lasersko strukturiranih površin. Stabilnost funkcionaliziranih površin je pogosto zanemarjena tema v raziskavah prenosa toplote s fazno spremembo. V tem prispevku raziskujemo kemične in morfološke spremembe na strukturiranih površinah na molekularnem in atomskem nivoju po nastopu kritične gostote toplotnega toka med nasičenim vrenjem vode v bazenu. SEM, EDS, AES in XPS analize so uporabljene za kvantifikacijo površinskih sprememb. Bakreni vzorci so bili lasersko strukturirani preko ablacije z nanosekundnim vlakenskim laserjem v zraku ali argonu. Mikrojamice na več velikostnih skalah, ki služijo kot preferenčna nukleacijska mesta, so nastale na vzorcih kot posledica strukturiranja, kar je močno izboljšalo prenos toplote pri vrenju v bazenu. Večkratna tvorba parnega filma je skupaj s spremljajočimi temperaturami do 320 °C povzročila spremembe površinske kemije in nanomorfologije. Opažena je bila transformacija bakrovega(II) oksida in hidroksida v bakrov(I) oksid in samo kovino kot posledica večkratnega nizkotemperaturnega žarjenja ob pojavu parnega filma in prehodu proti filmskemu vrenju. To je povzročilo tudi spremembo omočljivosti funkcionaliziranih površin s prehodom od začetne hidrofilnosti proti hidrofobnosti po vrenju. Oba učinka pomembno vplivata na interakcijo trdnine, kapljevine in pare med procesom prenosa toplote s fazno spremembo. V splošnem so lasersko funkcionalizirane površine izkazale signifikantno povišano stabilnost pri vrenju in izboljšan prenos toplote.
COBISS.SI-ID: 16653083
Dosežek vodje podoktorskega projekta (Dr. Mateja Hočevarja) v sodelovanju s strokovnjaki na področju laserske funkcionalizacije površin in kavitacije predstavlja pomemben prispevek k razumevanju lastnosti kavitacijskega toka ob različno lasersko funkcionaliziranih površinah. V prispevku je predstavljena interakcija med kapljevino in trdno mejo, ki lahko vodi v nastanek kavitacije, če lokalni tlak pade pod prag izparevanja. Kavitacijska dinamika ni odvisna le od osnovne geometrije telesa, ampak tudi od hrapavosti površine ter površinske kemije in omočljivosti. Z aplikativnega stališča je nadzor kavitacije v toku kapljevin preko funkcionalizacije površine pomemben, ker predstavlja nov pristop za preprečevanje neželenih posledic hidrodinamske kavitacije (erozija, hrup in vibracije). Po drugi strani pa omogoča tudi povečevanje kavitacije in s tem intenziviranje različnih fizikalnih in kemičnih procesov. Pokazali smo, da karakteristike hidrodinamske kavitacije niso odvisne zgolj od hrapavosti površine, temveč nanje pomembno vpliva tudi površinska omočljivost. Hidrofilnost namreč zavira nastanek začetne kavitacije, ker kapljevina ostaja v stiku s hidrofilno površino. Posledično se kapljevina od take površine loči šele pri večjih pretokih (ki pomenijo večjo energijo). Pri tem prehod iz hidrofilnega v hidrofobno stanje, ki je značilen za lasersko obdelane kovinske površine, ponuja nov in inovativen pristop za preučevanje interakcije med pretokom kapljevine in ukrivljenimi površinami z različno omočljivostjo, a isto topografijo na mikrometrski skali. V raziskavi smo površino valjev iz nerjavnega jekla s premerom 10 mm lasersko obdelali, da bi preučili, kako lahko nastanek in dinamiko hidrodinamske kavitacije nadziramo s spreminjanjem površinskih lastnosti. Z laserskim teksturiranjem smo izdelali površine s petimi različnimi površinskimi topografijami in z različno omočljivostjo. Preizkusili smo jih v kavitacijskem tunelu. Nastanek in razvoj kavitacije za funkcionaliziranimi cilindričnimi površinami smo opazovali in vrednotili preko vizualizacije s hitrotekočo kamero (20.000 fps) in preko meritev tlaka z visokofrekvenčnim tlačnim senzorjem. Rezultati jasno kažejo, da se značilnosti kavitacije med različnimi mikrostrukturiranimi površinami močno razlikujejo. Na nekaterih površinah se začetna kavitacija zakasni, njen obseg pa zmanjša v primerjavi z referenčno (polirano jekleno) površino.
COBISS.SI-ID: 17154075
Funkcionalizirane površine za intenzifikacijo procesov fazne spremembe imajo široko aplikabilnost na področju termičnega inženirstva. V delu je predstavljena metodologija za izdelavo površin, ki zagotavljajo izjemno učinkovitost prenosa toplote pri vrenju, pri čemer obdelava površin temelji na kombinaciji neposrednega laserskega strukturiranja z nanosekundnimi bliski in nanosa hidrofobnega fluoriranega silana s postopkom kemičnega naparjanja. Raziskane so različne strategije izvedbe laserskega strukturiranja na aluminijastih vzorcih s kasnejšo hidrofobizacijo lasersko obdelane površine. Tako superhidrofobne kot superhidrofilne površine z lasersko izdelanimi mikrojamicami izkazujejo zelo visoke izboljšave intenzivnosti prenosa toplote pri vrenju vode v bazenu. Površine s superhidrofobnimi mikrojamicami omogočajo izboljšavo koeficienta toplotne prestopnosti tudi preko 500 %. Večje mikrojamice s povprečnim premerom 4,2 µm, ki so bile izdelane z ekvidistančnim razmikom med prehodi laserskega snopa preko površine, so zagotovile zgodnejši prehod v režim mehurčkastega vrenja, manjše jamice s povprečnim premerom 2,8 µm, izdelane z variabilnim razmikom med zaporednimi prehodi laserskega snopa, pa boljše parametre prenosa toplote pri visokih gostotah toplotnega toka. Zabeleženo izboljšanje prenosa toplote potrjuje, da je Wenzelov režim omočenja mogoč tudi na površinah, ki izven pogojev vrenja izkazujejo superhidrofobnost. Na superhidrofobnih površinah z mikrojamicami je bil zabeležen tudi nezanemarljiv dvig kritične gostote toplotnega toka, kar dokazuje pomembnost in medsebojno povezanost površinske topografije in omočljivosti za doseganje izboljšanja procesa vrenja. Proces funkcionalizacije površin, ki je hiter, nizkocenoven in ponovljiv, ima velik potencial za napredne aplikacije termalnega menedžmenta.
COBISS.SI-ID: 14158851