[論文レビュー] Multiscale ultrafast laser texturing of marble for reduced surface wetting

Rocío Ariza, Miguel Álvarez-Alegría+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Laser Material Processing Techniques参考文献 52被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、クレマ・マルフィン・コト・マーブルにマルチスケール超高速レーザー彫りを施すことで、長期間にわたる疎水性が、微細およびナノスケールの粗さと段階的な表面ヒドロキシル化によって誘発され、11か月後に約140°の安定接触角を示すことを示した。この効果は、レーザー誘発の表面構造化と時間に依存する化学的変化（ヒドロキシルおよび炭化水素種の存在）に起因し、外観を損なわず、耐久的かつ自己修復可能な親水性制御が可能となる。

ABSTRACT

The modification of the wetting properties of marble surfaces upon multi-scale texturing induced by ultrafast laser processing (340 fs pulse duration, 1030 nm wavelength) has been investigated with the aim of evaluating its potential for surface protection. The contact angle (CA) of a water drop placed on the surface was used to assess the wettability of the processed areas. Although the surfaces are initially hydrophilic upon laser treatment, after a few days they develop a strong hydrophobic behavior. Marble surfaces have been irradiated with different scan line separations to elucidate the relative roles of multi-scale roughness (nano- and micro-texture) and chemical changes at the surface. The time evolution of the contact angle has been then monitored up to 11 months after treatment. A short and a long-term evolution, associated to the combined effect of multi-scale roughness and the attachment of chemical species at the surface over the time, have been observed. XPS and ATR measurements are consistent with the progressive hydroxylation of the laser treated surfaces although the additional contribution of hydrocarbon adsorbates to the wettability evolution cannot be ruled-out. The robustness of the results has been tested by CA measurements after cleaning in different conditions with very positive results.

研究の動機と目的

• 超高速レーザー処理後のマーブル表面の長期にわたる親水性の変化を調査すること。
• マルチスケールの表面形状（マイクロおよびナノ粗さ）と表面化学的変化が疎水性に与える寄与を解明すること。
• 洗浄条件下におけるレーザー誘発疎水性の耐久性と頑健性を評価すること。
• コーティングを用いず、非侵襲的な方法でマーブルを水性汚染物質および酸への攻撃から保護する手法を開発すること。

提案手法

• マーブル表面にマルチスケールのテクスチャを形成するために、340 fs、1030 nmパルスを用いた超高速レーザー処理を行い、スキャンライン間隔を変化（2–30 µm）した。
• 表面の形態と元素組成を分析するための走査型電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いた。
• 表面化学状態および官能基を分析するため、X線光電子分光法（XPS）および全内部全反射型赤外分光法（ATR-IR）を用いた。
• 親水性の変化を評価するため、11か月にわたって接触角（CA）測定をモニタリングした。
• 耐久性と自己修復能をテストするため、蒸留水での洗浄と石鹸を含んだ布でのこすり洗いという制御された洗浄手順を実施した。
• 材料の完全性とレーザー誘発構造的変化を確認するため、岩石学的および走査型陰極ルミネッセンス分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチスケールのレーザー彫りは、マーブル表面の長期的親水性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 マイクロ／ナノ粗さと表面化学的変化の両者が疎水性発現に果たす相対的寄与は何か？
• RQ3 表面化学的変化（特にヒドロキシル化および炭化水素の吸着）は、時間に依存する親水性変化にどのように寄与するか？
• RQ4 機械的および化学的洗浄条件下で、レーザー誘発疎水性はどの程度頑健か？
• RQ5 表面が損傷した後、疎水性効果は自己修復可能か？

主な発見

• 接触角は最初の10日間で急速に上昇し、8〜11か月の経過後、約140°の安定値に達した。
• 最初の疎水性が最も高かったのはスキャン間隔20 µmのときで、これはマイクロ粗さの効果に起因するとされた。
• 長期的な性能が最も優れたのはスキャン間隔30 µmのときで、表面有効面積が最大となり、化学反応性およびヒドロキシル化が促進された。
• XPSおよびATR-IRのデータから、表面ヒドロキシル化と炭化水素の吸着が確認され、両者とも疎水性に寄与した。
• 蒸留水での洗浄では接触角の低下が最小限に抑えられたが、石鹸を含んだ布での洗浄では著しいが一時的な低下が観察され、数日以内に回復した。
• 疎水性効果は自己修復性と頑健性を示し、水性汚染物質からの耐久的保護が可能であることが示された。