Влияние лазерной обработки поверхности алюминиево-магниевого сплава на «самосборку» наночастиц при испарении капель коллоидных растворов

Abstract

Establishing the characteristics of the self-assembly of micron and sub-micron particles when colloidal solution droplets evaporate from solid surfaces is an urgent problem. This is explained by the possibility of using these structures obtained by droplet technologies to create and optimize the production of direct and indirect liquid cooling devices, electronic and sensor working boards, current-conducting coatings, optical crystals, and chemo sensors. The method used in this study for processing of metals and alloys by laser radiation is prospective for controlling the processes at the liquid/gas/solid interface. This article aims to analyze the effect of laser processing of the widely used in the industry aluminum-magnesium alloy on the formation of a layer of particles during the droplet evaporation of colloidal solutions. The samples’ surfaces were processed by two methods: polished by tumbling and nanosecond laser pulses. The geometric parameters of the droplets of colloidal solutions evaporating from the samples’ surfaces were determined by the shadow method. To process the obtained shadow images, the Young – Laplace method was used. Using a scanning electron microscope, the authors have received the images of the particles’ layers formed due to the droplet evaporation of colloidal solutions. The experimental studies reveal the effect of texture formed on aluminum-magnesium alloy sample on the morphology of the layer of polystyrene nanoparticles during the droplet evaporation of colloidal solutions. Due to the self-assembly of particles, solid ring-like sediments are formed, which are elongated under the action of the capillary force parallel to the motion vector of the laser beam (when creating the texture). When the solvent evaporated from the solution droplet on the textured surface, in addition to the rings, a homogeneous layer of polystyrene particles was formed. This refers to the droplet evaporation of the solution. The results show that with an increase in the concentration of particles in the solution, the sizes of radial cracks on the rings formed due to particle deposition increase. There were no cracks on the rings at a relatively low volume concentration of particles.

Установление характеристиками процесса «самосборки» микронных и субмикронных частиц при испарении капель коллоидных растворов с поверхностей твердых тел является актуальной задачей из-за возможности применения получаемых с помощью капельных технологий структур для создания и оптимизации производства устройств прямого и непрямого жидкостного охлаждения, рабочих плат электронных и сенсорных устройств, токопроводящих покрытий, оптических кристаллов и хемосенсоров. Использованный в настоящей работе способ обработки поверхностей металлов и сплавов лазерным излучением является перспективным для управления процессами, протекающими на границе раздела жидкость / газ / твердое тело. Целью настоящей работы являлся анализ влияния обработки лазерным излучением поверхности широко применяемого в промышленности алюминиево-магниевого сплава на образование слоя частиц при испарении капель коллоидных растворов. Поверхности образцов обрабатывались двумя способами – галтовкой и наносекундными лазерными импульсами. Геометрические параметры испаряющихся с поверхностей образцов капель коллоидных растворов определялись по теневой методике. Для обработки полученных теневых изображений использовался метод Юнга – Лапласа. Фотоизображения образовавшихся при испарении капель коллоидных растворов слоев частиц получены с помощью сканирующего электронного микроскопа. В результате проведения экспериментов установлено влияние образованной на поверхности образца алюминиево-магниевого сплава текстуры на морфологию слоя полистирольных наночастиц при испарении капель коллоидных растворов: в результате «самосборки» частиц образуются твердые осадки в виде вытянутых под действием капиллярной силы параллельно вектору движения луча лазера (при нанесении текстуры) колец. При испарении растворителя из капли раствора на текстурированной поверхности помимо кольца образовывался однородный слой полистирольных частиц. Установлено, что с ростом концентрации частиц в растворе увеличиваются размеры радиально-направленных трещин на образованных в результате отложения частиц кольцах. При относительно малой объемной концентрации частиц трещины на кольцах не зарегистрированы.