Модификация поверхности

Модификация поверхности — это изменение поверхности материала путем придания физических, химических или биологических характеристик, отличных от тех, которые изначально были обнаружены на поверхности материала. ^[1]Эта модификация обычно применяется к твердым материалам, но можно найти примеры модификации поверхности конкретных жидкостей.

Модификация может осуществляться различными методами с целью изменения широкого спектра характеристик поверхности, таких как: шероховатость, ^[2] гидрофильность, ^[3] поверхностный заряд, ^[4] поверхностная энергия , биосовместимость ^[3]^[5] и реактивность. ^[6]

Поверхностная инженерия

Поверхностная инженерия — это раздел материаловедения , изучающий поверхность твердого вещества. Он имеет применение в химии , машиностроении и электротехнике (особенно в производстве полупроводников ).

Твердые тела состоят из объемного материала, покрытого поверхностью. Поверхность, ограничивающая объемный материал, называется поверхностной фазой . Он действует как интерфейс к окружающей среде. Объемный материал в твердом теле называется объемной фазой .

Поверхностная фаза твердого тела взаимодействует с окружающей средой. Это взаимодействие может со временем привести к разрушению поверхностной фазы. Ухудшение состояния поверхностной фазы с течением времени может быть вызвано износом , коррозией , усталостью и ползучестью .

Инженерия поверхности включает в себя изменение свойств поверхностной фазы, чтобы уменьшить ее деградацию с течением времени. Это достигается за счет того, что поверхность становится устойчивой к окружающей среде, в которой она будет использоваться.

Приложения и будущее поверхностной инженерии

Методы поверхностной инженерии используются в автомобильной, аэрокосмической, ракетной, энергетической, электронной, биомедицинской, ^[3] текстильная, нефтяная, нефтехимическая, химическая, сталелитейная, энергетическая, цементная, станкостроительная, строительная отрасли. Методы поверхностной инженерии могут использоваться для разработки широкого спектра функциональных свойств, включая физические, химические, электрические, электронные, магнитные, механические, износостойкие и коррозионностойкие свойства на требуемых поверхностях подложки. Практически все типы материалов, включая металлы, керамику, полимеры и композиты, можно наносить на похожие или разные материалы. Также возможно формирование покрытий из более новых материалов (например, метастекла бета-C ₃ N ₄ ), градиентных покрытий, многокомпонентных покрытий и т. д.

В 1995 году рынок поверхностной инженерии в Соединенном Королевстве оценивался в 10 миллиардов фунтов стерлингов. Покрытия, повышающие долговечность поверхности от износа и коррозии, составляли примерно половину рынка. ^[7]

Функционализация антимикробных поверхностей – это уникальная технология, которая может быть использована для стерилизации в сфере здравоохранения, самоочищения поверхностей и защиты от биопленок.

В последние годы в технологии поверхности произошел сдвиг парадигмы от старинной гальваники к таким процессам, как осаждение из паровой фазы, ^[8]^[9] диффузия, термическое напыление и сварка с использованием современных источников тепла, таких как плазма, ^[2]^[3] лазер, ^[10] ионное, электронное, микроволновое, солнечные лучи, синхротронное излучение, ^[3] импульсная дуга, импульсное горение, искра, трение и индукция.

По оценкам, потери из-за износа и коррозии в США составляют примерно 500 миллиардов долларов. В США около 9524 предприятий (включая автомобильную, авиационную, энергетическую и строительную отрасли), которые зависят от инженерных поверхностей при поддержке 23 466 отраслей. ^{[ нужна ссылка ]}

Функционализация поверхности

Функционализация поверхности химических функциональных групп приводит к появлению на поверхности . Таким образом, материалы с функциональными группами на поверхности могут быть созданы из подложек со стандартными свойствами объемного материала. Яркие примеры можно найти в полупроводниковой промышленности и исследованиях биоматериалов. ^[3]

Функционализация поверхности полимера

Технологии плазменной обработки успешно применяются для функционализации поверхности полимеров.

См. также

Ссылки

^ Кэрролл, Грегори Т.; Ренгифо, Эрнан Р.; Григорас, Кристиан; Маммана, Анжела; Турро, Николас Дж.; Коберштейн, Джеффри Т. (2017). «Фотогенерация «кликабельных» полимерных каркасов с поверхностной связью» . Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 55 (7): 1151–1155. Бибкод : 2017JPoSA..55.1151C . дои : 10.1002/pola.28485 . ISSN 0887-624X .
^ Перейти обратно: ^а ^б Р.В. Лапшин; А.П. Алехин; А.Г. Кириленко; С.Л. Одинцов; В.А. Кротков (2010). «Вакуумное ультрафиолетовое сглаживание неровностей нанометровой поверхности поли(метилметакрилата)» (PDF) . Журнал поверхностных исследований. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные методы . 4 (1): 1–11. дои : 10.1134/S1027451010010015 . ISSN 1027-4510 . S2CID 97385151 . ( русский перевод ). есть
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж А.П. Алехин; Г.М. Болейко; С.А. Гудкова; А.М. Маркеев; А.А. Сигарев; В.Ф. Токнова; А.Г. Кириленко; Р.В. Лапшин; Е.Н. Козлов; Д.В. Тетюхин (2010). «Синтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии в России . 5 (9–10): 696–708. дои : 10.1134/S1995078010090144 . ISSN 1995-0780 . S2CID 62897767 . ( русский перевод ). есть
^ Бертаццо, С. и Резван, К. (2009) Контроль поверхностного заряда α-оксида алюминия с помощью карбоновых кислот. Ленгмюр.
^ Бертаццо, С., Замбуцци, В.Ф., да Силва, Х.А., Феррейра, К.В. и Бертран, Калифорния (2009) Биоактивация оксида алюминия путем модификации поверхности: возможность улучшения применимости оксида алюминия при восстановлении костей и полости рта. Клинические исследования оральных имплантатов 20: 288-293.
^ Габор Лондон, Куанг-Йен Чен, Грегори Т. Кэрролл и Бен Л. Феринга (2013). «На пути к динамическому контролю смачиваемости с помощью функционализированных высотных молекулярных двигателей на твердых поверхностях» . Химия: Европейский журнал . 19 (32): 10690–10697. дои : 10.1002/chem.201300500 . ПМИД 23784916 . S2CID 5759186 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Махмуд Алиофхазраи; Насар Али; Мирча Чипара; Нахира Бенсаада Лайдани; Джефф Т.М. Де Хоссон (2021). Справочник по современным технологиям нанесения покрытий: передовые методы определения характеристик, том 2 . Эльзевир. ISBN 978-0-444-63239-5 .
^ Он, Чжэньпин; Илона Кречмар (6 декабря 2013 г.). «GLAD с использованием шаблонов: подход к одиночным и множественным лоскутным частицам с контролируемой формой патчей» . Ленгмюр . 29 (51): 15755–15761. дои : 10.1021/la404592z . ПМИД 24313824 .
^ Он, Чжэньпин; Кречмар, Илона (3 июня 2012 г.). «Изготовление неоднородных частиц с однородными участками с помощью шаблонов». Ленгмюр . 28 (26): 9915–9919. дои : 10.1021/la3017563 . ПМИД 22708736 .
^ Неджати, Сина; Мирбагери, Сейед Ахмад; Ваймин, Хосе; Грабб, Мариса Э.; Пеана, Сэмюэл; Варсингер, Дэвид М.; Рахими, Рахим (2020). «Лазерная функционализация углеродных мембран для эффективной иммобилизации антимикробных наночастиц серебра» . Журнал экологической химической инженерии . 8 (5). Elsevier BV: 104109. doi : 10.1016/j.jece.2020.104109 . ISSN 2213-3437 . S2CID 219769929 .

Библиография

Р.Чаттопадхьяй, «Усовершенствованные процессы обработки поверхности с использованием термической обработки», Kluwer Academic Publishers, Массачусетс, США (ныне Спрингер, Нью-Йорк), 2004 г., ISBN 1-4020-7696-7 , E- ISBN 1-4020-7764-5 .
Р. Чаттопадхай, «Анализ, лечение и предотвращение износа поверхности», ASM-International, Materials Park, Огайо, США, 2001 г., ISBN 0-87170-702-0 .
С. Конда, Пламенный синтез и функционализация наночастиц сплава палладия in situ, журнал AIChE, 2018, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aic.16368

Внешние ссылки

Институт химии поверхности и катализа Ульмского университета

[1] Кэрролл, Грегори Т.; Ренгифо, Эрнан Р.; Григорас, Кристиан; Маммана, Анжела; Турро, Николас Дж.; Коберштейн, Джеффри Т. (2017). «Фотогенерация «кликабельных» полимерных каркасов с поверхностной связью» . Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 55 (7): 1151–1155. Бибкод : 2017JPoSA..55.1151C . дои : 10.1002/pola.28485 . ISSN 0887-624X .

[vacuum2010-2] Перейти обратно: ^а ^б Р.В. Лапшин; А.П. Алехин; А.Г. Кириленко; С.Л. Одинцов; В.А. Кротков (2010). «Вакуумное ультрафиолетовое сглаживание неровностей нанометровой поверхности поли(метилметакрилата)» (PDF) . Журнал поверхностных исследований. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные методы . 4 (1): 1–11. дои : 10.1134/S1027451010010015 . ISSN 1027-4510 . S2CID 97385151 . ( русский перевод ). есть

[synthesis2010-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж А.П. Алехин; Г.М. Болейко; С.А. Гудкова; А.М. Маркеев; А.А. Сигарев; В.Ф. Токнова; А.Г. Кириленко; Р.В. Лапшин; Е.Н. Козлов; Д.В. Тетюхин (2010). «Синтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии в России . 5 (9–10): 696–708. дои : 10.1134/S1995078010090144 . ISSN 1995-0780 . S2CID 62897767 . ( русский перевод ). есть

[4] Бертаццо, С. и Резван, К. (2009) Контроль поверхностного заряда α-оксида алюминия с помощью карбоновых кислот. Ленгмюр.

[5] Бертаццо, С., Замбуцци, В.Ф., да Силва, Х.А., Феррейра, К.В. и Бертран, Калифорния (2009) Биоактивация оксида алюминия путем модификации поверхности: возможность улучшения применимости оксида алюминия при восстановлении костей и полости рта. Клинические исследования оральных имплантатов 20: 288-293.

[6] Габор Лондон, Куанг-Йен Чен, Грегори Т. Кэрролл и Бен Л. Феринга (2013). «На пути к динамическому контролю смачиваемости с помощью функционализированных высотных молекулярных двигателей на твердых поверхностях» . Химия: Европейский журнал . 19 (32): 10690–10697. дои : 10.1002/chem.201300500 . ПМИД 23784916 . S2CID 5759186 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] Махмуд Алиофхазраи; Насар Али; Мирча Чипара; Нахира Бенсаада Лайдани; Джефф Т.М. Де Хоссон (2021). Справочник по современным технологиям нанесения покрытий: передовые методы определения характеристик, том 2 . Эльзевир. ISBN 978-0-444-63239-5 .

[8] Он, Чжэньпин; Илона Кречмар (6 декабря 2013 г.). «GLAD с использованием шаблонов: подход к одиночным и множественным лоскутным частицам с контролируемой формой патчей» . Ленгмюр . 29 (51): 15755–15761. дои : 10.1021/la404592z . ПМИД 24313824 .

[9] Он, Чжэньпин; Кречмар, Илона (3 июня 2012 г.). «Изготовление неоднородных частиц с однородными участками с помощью шаблонов». Ленгмюр . 28 (26): 9915–9919. дои : 10.1021/la3017563 . ПМИД 22708736 .

[Nejati_Laser_Funct_2020_p=104109-10] Неджати, Сина; Мирбагери, Сейед Ахмад; Ваймин, Хосе; Грабб, Мариса Э.; Пеана, Сэмюэл; Варсингер, Дэвид М.; Рахими, Рахим (2020). «Лазерная функционализация углеродных мембран для эффективной иммобилизации антимикробных наночастиц серебра» . Журнал экологической химической инженерии . 8 (5). Elsevier BV: 104109. doi : 10.1016/j.jece.2020.104109 . ISSN 2213-3437 . S2CID 219769929 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]