Powierzchnie antybakteryjne uzyskane dzięki nowatorskim technologiom laserowym
Struktura powierzchni materiałów może mieć istotny wpływ na ich właściwości antybakteryjne. Na przykład naturalna mikrostruktura powierzchni liścia lotosu ma właściwości hydrofobowe. Ponieważ bakterie są przenoszone głównie w płynach, usunięcie płynu pozwala pozbyć się także bakterii. Natomiast powierzchnie o nierównościach mniejszych niż rozmiar komórki bakteryjnej mogą utrudniać przywieranie bakterii poprzez zmniejszenie powierzchni styku lub uszkadzanie błony komórkowej. Połączenie sztucznych struktur o właściwościach hydrofobowych i antybakteryjnych może mieć wiele istotnych zastosowań przemysłowych, na przykład w sektorze spożywczym. Teksturowanie to proces wytwarzania powierzchni o pożądanej strukturze. W teorii laser jest w stanie kształtować niewielkie struktury bez topienia lub przecinania materiału skutkującego uzyskaniem niepożądanych kształtów. Jednak parametry dotychczasowych obrabiarek przemysłowych są niewystarczające – impulsy lasera są zbyt długie, co powoduje topienie materiału. Ponadto produkcja przemysłowa wiąże się z koniecznością szybkiej obróbki dużych powierzchni, a tego istniejące maszyny nie są w stanie zapewnić.
Nowy system do teksturowania laserowego
W ramach finansowanego ze środków UE projektu TresClean powstały technologie teksturowania opracowane z myślą o przemyśle spożywczym i sektorze sprzętu AGD. Za pomocą nowego systemu można szybko przeprowadzać obróbkę dużych powierzchni, nadając im właściwości hydrofobowe i antybakteryjne. W systemie zastosowano także nową technologię skanowania, która pozwala kontrolować wiązkę lasera. Zdolność do samooczyszczania uzyskuje się poprzez połączenie dwóch różnych struktur powierzchni. „W tym przypadku efekt ten wynika z nałożenia na siebie mikroskopijnych nierówności i nanoskalowych kształtów ułożonych w podobny wzór”, wyjaśnia Luca Romoli, koordynator projektu i profesor na Uniwersytecie Parmeńskim. „Taka hierarchiczna struktura jest superhydrofobowa. Woda zasadniczo zsuwa się z powierzchni utworzonej przez nanopęcherzyki powietrza”. Partnerzy projektu TresClean poddali ocenie kilka technologii teksturowania i wybrali dwie, które stały się podstawą dalszych prac. Pierwszą z nich jest bezpośrednia laserowa litografia interferencyjna (ang. Direct Laser Interference Patterning), w której wybrany wzór na powierzchni powstaje w wyniku interferencji czterech wiązek lasera. Druga technika opiera się na tworzeniu periodycznych struktur powierzchniowych indukowanych laserem (ang. Laser-Induced Periodic Surface Structures). Wzór powstaje na drodze samoorganizacji materiału wywołanej niestabilnością spowodowaną wystawieniem na działanie ultrakrótkich impulsów lasera. „Impuls lasera działa jak kamień wrzucony do sadzawki”, dodaje Romoli. „Fale pojawiające się na powierzchni wody w wyniku uderzenia można porównać do fałd tworzących się na metalowej powierzchni”.
Potwierdzona koncepcja
Moc i szybkość obróbki oferowane przez lasery dostępne w momencie uruchomienia projektu nie umożliwiały wysokowydajnej produkcji. W ramach projektu opracowano i zweryfikowano kombinacje odpowiednich laserów, pozwalające uzyskać impulsy o częstotliwości 10 MHz, oraz głowicę skanującą, zdolną do odczytu obszaru o powierzchni 200 x 200 mm w czasie 200 milisekund. Gdy nowy system został zamontowany w obrabiarkach, teksturowanie metalowych elementów z zachowaniem pożądanych parametrów stało się możliwe. Struktury powierzchniowe udało się przenieść na części plastikowe w procesie formowania wtryskowego. Testy czystości części wyprodukowanych w ten sposób wykazały, że liczba bakterii przylegających do powierzchni zmniejszyła się o 90 % w porównaniu do elementów nieteksturowanych. Części metalowe wypadły w tych testach lepiej niż plastikowe. Wyniki badania wytrzymałości elementów metalowych również były zadowalające. Powierzchnie o właściwościach antybakteryjnych znajdą wiele zastosowań, w tym w branży spożywczej i sektorze sprzętu AGD, a potencjalnie także w morskich systemach antyporostowych. Podmioty z tych branż wyraziły już zainteresowanie technologiami opracowanymi w ramach projektu TresClean, co może oznaczać, że na rynek trafią nowe samoczyszczące się produkty.
Słowa kluczowe
TresClean, laser, teksturowanie, antybakteryjne, powierzchnie, technologie teksturowania, superhydrofobowe
