Projekti / Programi
Lasersko mikro in nanostrukturiranje za razvoj biomimetičnih kovinskih površin z edinstvenimi lastnostmi (LaMiNaS)
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.10.02 |
Tehnika |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Izdelovalna tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T165 |
Tehnološke vede |
Laserska tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
inženiring površin, laserske obdelave, funkcionalizacija površin
Raziskovalci (19)
Organizacije (2)
Povzetek
Razvoj naprednih komponent za tehnološke in biomedicinske aplikacije zahteva površine z edinstvenimi lastnostmi. Navdih zanje pogosto najdemo v zgledih, ki so se z evolucijo v naravi razvili preko naravne selekcije (npr. lotosov list ali koža morskega psa). LaMiNaS uporablja laserski inženiring površin za razvoj biomimetičnih kovinskih površin v laboratorijskem okolju. Povezuje raziskovalce s področij fizike, analitične kemije, strojništva in fotonike za razvoj novih teoretičnih in eksperimentalnih znanj, ki bodo zmogla odgovoriti na vprašanje, katere površinske lastnosti je potrebno spremeniti in kako, da bi izboljšali materiale, uporabljene (i) v erozijskih okoljih; (ii) pri triboloških aplikacijah; (iii) pri pretokih kapljevin, ki povzročajo kavitacijo; in (iv) pri prenosu toplote. Odgovora na to vprašanje LaMiNaS ne išče zgolj z modeliranjem in posnemanjem edinstvenih površin v naravi, ampak predvideva tudi njihove nadaljnje izboljšave in integracijo v inženirske aplikacije. Teoretično projekt razvija znanje, ki bo zmoglo napovedati, kako laserski in okoliški parametri vplivajo na edinstvene površinske lastnosti ter bo pojasnilo odvisnost površinskih funkcionalnosti, njihovega dolgoročnega obnašanja in obstojnosti od površinskih mikro-/nano-struktur in površinske kemije na molekularnem in atomskem nivoju. V eksperimentalnem delu projekt združuje napredne laserske obdelave z različnimi tehnikami karakterizacije, ki zmorejo razločiti topografske in kemijske značilnosti tankih in ultra-tankih površinskih slojev.
Za razumevanje vpliva laserskega sevanja in njegove interakcije s snovjo na topografske in kemijske površinske spremembe na mikrometrski/nanometrski skali bomo interakcijo svetloba-snov teoretično in eksperimentalno raziskali z obravnavo vse treh glavnih režimov laserske ablacije. Režim zelo nizkih fluenc, ki se odraža predvsem v spremembi površinske kemije, bomo obravnavali za razvoj novih pristopov nadzora korozijskega obnašanja. To bo omogočilo dvoje: nove korozijsko odporne materiale in materiale s povečano dovzetnostjo za korozijo, kar je ključnega pomena za razvoj novih biološko razgradljivih materialov. Režim fluenc blizu praga za ablacijo, kjer nastanejo lasersko povzročene periodične površinske strukture, bomo uporabili za tribološke aplikacije. Osnovne fizikalne mehanizme nastanka teh struktur bomo raziskali z razvojem in obsevanjem kovinskih zlitin z različnimi orientacijami kristalnih rešetk. To bo pojasnilo vpliv površinske gostote atomov na odziv materiala pri obsevanju z lasersko svetlobo in na prag za nastanek periodičnih struktur. Režim ablacije visokih fluenc, pri kateri nastajajo strukture z velikostjo blizu uklonske limite in z velikim razmerjem med globino in širino, bomo preučili z namenom funkcionalizacije površin za izboljšan prenos toplote in nadzor hidrodinamske kavitacije. Pri prenosu toplote bo LaMiNaS prispeval k razumevanju dolgoročnega vedênja in obstojnosti biomimetičnih kovinskih površin pri visokofrekvenčnih temperaturnih spremembah zaradi nukleacije in rasti mehurčkov med vrenjem. Laserski inženiring površin bomo uporabili tudi za razvoj površin, ki bodo omogočile nadzor kavitacije v toku kapljevin. Te aktivnosti bodo vodile do novih pristopov spreminjanja površinskih funkcionalnosti, ki bodo preko vplivanja na začetek kavitacije omogočile povečano (npr. za napredne oksidacijske procese) ali zmanjšano (npr. za preprečevanje kavitacijske erozije) hidrodinamsko kavitacijo in kavitacijsko erozijo.
Razvite površine bodo povečale energijsko učinkovitost in zmanjšale obrabo materialov, zato rezultati projekta vodijo do bolj ekoloških tehnologij. Poleg tega odpirajo nove pristope izdelav pametnih površin ter s tem omogočajo nove možnosti za raziskovanje interakcij med površinami in svetlobo, drugimi elektromagnetnimi polji, molekulami in atomi. Na ta način LaMiNaS pomembno izboljšuje konkurenčnost slovenske in evropske znanosti in gospodarstva.
Pomen za razvoj znanosti
Izjemno relevantnost pričakovanih rezultatov potrjuje večletni strateški načrt »Multiannual Strategic Roadmap 2014–2020« evropske tehnološke platforme Fotonika21 (Bruselj, 2013), ki lasersko izdelavo funkcionalnih površin prepoznava kot enega od pomembnejših raziskovalnih in inovacijskih izzivov na področju fotonike. Doseženi rezultati bodo vodili do tehnološkega in znanstvenega preboja na EU in svetovni ravni, saj bodo omogočili širšo uporabo pametnih površin, proizvedenih s prilagodljivo, razširljivo in kemijsko neoporečno lasersko tehnologijo v najrazličnejših industrijskih, tehnoloških in biomedicinskih aplikacijah.
Projektne dejavnosti naslavljajo niz inženirskih in razvojnih izzivov pri koroziji, tribologiji, kavitacijski eroziji in prenosu toplote, kjer so funkcionalizirane pametne površine ključnega pomena za inovacije in razvoj sodobne tehnologije. Pričakovani rezultati bodo vodili do bolj ekoloških tehnologij, saj bodo površine z lasersko preoblikovano topografijo in kemijo izboljšale energetsko učinkovitost in zmanjšale obrabo materialov. Teoretični modeli, ki jih bomo razvili z uporabo fizike, fotonike, znanosti o materialih in analitične kemije, bodo odprli novo razumevanje topografskih in kemijskih sprememb, do katerih pride pri interakciji med lasersko svetlobo in snovjo. Pričakovani rezultati bodo omogočili tudi boljše osnovno razumevanje dolgoročnega obnašanja in trajnosti funkcionaliziranih površin. To ni pomembno le za napredek in razvoj laserskega inženiringa površin, temveč predstavlja tudi pomemben doprinos k splošnemu znanju s področja interakcije med ultratankimi površinskimi sloji in okoljem. Razviti eksperimentalni in teoretični pristopi za oblikovanje pametnih površin bodo odprli nove možnosti za raziskovanje interakcij med površinami in svetlobo, drugimi elektromagnetnimi polji, molekulami in atomi.
Rezultate bomo sistematično vključevali v študij na vseh treh stopnjah Univerze v Ljubljani. Vključili jih bomo tudi v podoktorsko usposabljanje. Projektna skupina že vključuje več mladih, perspektivnih podoktorskih raziskovalcev in doktorskih študentov. Njihova vključenost v predlagane raziskave jim bo omogočila, da se bodo razvili v vodilne strokovnjake na svojih področjih. Rezultate predlaganih raziskav bomo uporabili v okviru temeljnega in aplikativnega mednarodnega sodelovanja, ki ga že vodijo tako vodja predlaganega projekta kot tudi člani projektne skupine. Prav tako bomo rezultate sistematično predstavili tehnološkim podjetjem. Vse to bo vodilo k razvoju popolnoma novih raziskovalnih in razvojnih področij ter bo pomembno izboljšalo konkurenčnost slovenske in evropske znanosti in gospodarstva.
Pomen za razvoj Slovenije
Significant relevance of the expected project results is proven by the Multiannual Strategic Roadmap 2014–2020 (EU Technology Platform Photonics21, Brussels, 2013) that recognizes laser treatment for surface functionalization as one of the major photonics research and innovation challenges. The achieved results will lead to technological and scientific breakthrough on the EU and global level, as they will enable broader use of smart surfaces, produced by flexible, scalable and chemical-free laser texturing methods, with diverse industrial, technological and biomedical applications.
The project activities address several engineering challenges in corrosion, tribology, cavitation erosion and heat transfer, where functionalized smart surfaces have a significant impact on modern technology and innovation. The expected results will lead to more ecological technology since the laser-tailored surface topography and chemistry will enhance energy efficiency and decrease material wear. The developed theoretical models combining physics, photonics, material science and analytical chemistry will lead to new understanding of topographical and chemical modifications, induced by laser-light radiation. Moreover, the results will also lead towards better fundamental understanding of long-term behavior and durability of the functionalized surfaces. This is not only important for progress in laser surface engineering, but will also yield universal and general knowledge in the field of interaction between ultra-thin surface layers and the environment. Thus, the developed approaches for the fabrication of smart surfaces will open new possibilities for research of interactions between surfaces and light, other electromagnetic fields, molecules and atoms.
The results will be systematically included into bachelor, master, and doctoral studies as well as into postdoctoral training at the University of Ljubljana. The project group already includes several young and enthusiastic postdoctoral researchers and PhD students. Their involvement into the proposed research will help them become the leading experts in their fields. The project results will be used in basic and applied international cooperation already run by the project group leader and its members; they will also be systematically presented to the technological companies. Thus, the achieved results will contribute to the inception of completely new research and development directions and will importantly improve the competitiveness of Slovenian and EU science and economy.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
