6.2 Material- und Oberflächentechnologien
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Der Vortrag gibt einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro- und Nanostrukturierung durch Ultrakurzpuls-Lasermaterialbeabeitung. Dies schließt eine Diskussion des Phänomens der Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, engl.: Laser-induced Periodic Surface Structures, Ripples), sowie deren Klassifikation und Bildungsmechanismen mit ein. Ein Schwerpunkt der Präsentation liegt auf der Diskussion verschiedener Anwendungsmöglichkeiten der LIPSS in Bereichen der Optik, Fluidik, Tribologie und Medizin, sowie auf einem Ausblick auf die industrielle Skalierbarkeit der LIPSS-Technologie.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Erzeugung und Charakterisierung anisotroper Nanostrukturen mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Phänomen der sogenannten Laser-induzierten periodischen Oberflächen-Nanostrukturen auf dielektrischen Werkstoffen und ihrer zeitlichen Dynamik. Weitere Beispiele von Volumen-Nanostrukturen aus der Literatur werden diskutiert.
Irradiation of solid surfaces with high intensity, ultrashort laser pulses triggers a variety of secondary processes that can lead to the formation of transient and permanent structures over a large range of length scales from mm down to the nano‐range. One of the most prominent examples are LIPSS – Laser‐Induced Periodic Surface Structures. While LIPSS have been a scientific evergreen for of almost 60 years, experimental methods that combine ultrafast temporal with the required nm spatial resolution have become available only recently with the advent of short pulse, short wavelength free electron lasers. Here, the current status and future perspectives in this field are discussed by exploiting the unique possibilities of these 4th‐generation light sources to address by time‐domain experimental techniques the fundamental LIPSS‐question, namely why and how laser irradiation can initiate the transition of a “chaotic” (rough) surface from an aperiodic into a periodic structure.
The cleaning of aged silk fibers poses a common challenge in the conservation of textiles, since traditional cleaning techniques often yield unsatisfactory results or even harm objects. In this regard, cleaning objects with laser radiation is a promising addition to the range of available methods. Due to it being contactless, even brittle and touch-sensitive objects with disfiguring or harmful soiling could potentially be cleaned and therefore made accessible for research and presentation. Examples of treatment have sometimes shown spectacular results. Still there is some skepticism concerning the safety of this treatment for textile materials, which has been strengthened through previous 532 nm wavelength nanosecond laser cleaning studies on silk fibers. Taking these published results into account, the range of examined laser parameters has been extended in this study, from 532 nm nanosecond laser to 1064 nm nanosecond and even 800 nm femtosecond laser, reevaluating the effect of this treatment on the fibers. The physicochemical processes taking place on the silk fibers when cleaning with lasers are complex and still not fully understood. The aim of this project was therefore to bring more clarification about potential effects of those processes on the condition of silk samples treated with a set of different parameters for wavelength, pulse duration, energy density and number of pulses per spot. It also looks at the influence of the presence of soiling on the results. The analysis of potential effects was then carried out using statistical methods and advanced analytics. Scanning electron microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy and colorimetry technology provided the required insights to better assess the effects. Results show that laser cleaning of silk fibers, like most other conventional cleaning techniques, is not completely without risk, but knowing what the possible effects are helps making decisions on whether the benefits of the technique used justify these risks.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
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Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Laserbearbeitung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen kann zu einer sekundären Emission gefährlicher Röntgenstrahlen führen. Dieser Effekt wurde bisher bei der Bearbeitung von technischen Materialien wie Metallen beobachtet. Die Röntgenemission bei der abtragenden Bearbeitung von biologischen Geweben ist noch weitgehend unerforscht. Der Vortrag präsentiert erste Untersuchungen und Ergebnisse des radiologischen Gefährdungspotentials bei der medizinischen Anwendung von Ultrakurzpulslasern am Menschen.
The efficient exploration of novel alloy compositions is crucial for advancing the development of new materials. One widely utilized approach for creating phase diagrams is the use of diffusion-controlled synthesis for gradient alloys. This method is also an effective means for rapidly identifying potential material combinations.
The present study focusses on the exploration of quaternary multi-principle-element alloys (MPEAs) using diffusion multiples. We established a diffusion system by combining an equimolar ternary alloy (FeNiCr) with single diffusing elements Mn and Mo. Using ThermoCalc simulations, we determined suitable temperature ranges where we can expect the formation of single-phase alloys. Depending on the diffusion constants of the selected metals, diffusion times were adjusted to obtain diffusion zones with a depth of greater than 50 μm. Microstructural and compositional information was gathered via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and correlated to local mechanical properties evaluated by means of nanoindentation. Local corrosion properties were examined using Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electrochemical Microscopy (SECM).
Our results indicate that the ThermoCalc simulations have a good predictive power for crystallographic phases. However, especially with the Mn-FeNiCr system, formation of Cr-rich secondary phases were observed, which led to Cr-depletion and thus to localized corrosion processes in the matrix at the vicinity of the secondary phases. Based on the results of the local electrochemical tests, we have selected single-phase compositions along the diffusion zone and synthesized these alloys in bulk for corrosion studies by means of potentiodynamic polarization and SECM.
The presentation will summarize our methodology using diffusion couples as an
efficient tool for exploring compositional spaces of MPEAs in the search for novel single-phase alloys and the results of our correlative study on the mechanical and corrosion properties of these materials.