Aplicações de processamento de interferência a laser (3)

Fase - Efeitos da microestrutura durante a estruturação de filmes

Além das mudanças topográficas físicas periódicas, a interação do padrão de interferência do laser com o material freqüentemente resulta em efeitos metalúrgicos tais como transformação de fase, recristalização, intermetálicoreações, etc. Assim, a modulação periódica da microestrutura metalúrgica (e propriedades físico-mecânicas dependentes) pode ser alcançada (Daniel e Dahotre, 2006). Combinando

Fig. 11.19 (a) Variação da fração calculada de material fundido (Al e Ni) em várias camadas com fluência a laser, (b) seção transversal calculada de filme multicamada representando frações de material fundido (Al e Ni) em várias camadas(fluência de laser de 300 mJ / cm2), (c) Micrografia de TEM mostrando camadas individuais de Al e Ni após irradiação com padrão de interferência de laser. (Reimpresso de Daniel et al. 2004. Com permissão. Copyright Elsevier.)

as propriedades da regi n afectada e da regi irradiada por interfercia laser, podem ser realizadas pelulas compitas superficiais.

Sivakov et al. (2005) estudaram as transformações de fase periódicas induzidas por interferência de laser em filmes de óxido de ferro devido ao vapor químico depositado em substratos de silício. As transformações periódicas de fase da hematita para a magnetita emagnetita para wustite foram relatados com base em análise detalhada de difração de raios-x antes e após a irradiação por interferência de laser.

Foi proposto que transformações de fase redutora de hematita para magnetita e magnetita para hematita nas regiões de alta energia são induzidas por densidade de plasma espacialmente confinada. A interação do laser com os resultados do filmena geração da pluma de plasma que impede a interação do oxigênio com o

Fig. 11.20 Padrões de difração de raios X do filme de hematita (a) antes e (b) após a irradiação por laser. H e M correspondem a hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4), respectivamente. (Reimpresso de Sivakov et al. 2005. Compermissão. Copyright Elsevier.)

Filme CVD e, assim, facilita transformações redutivas. A energia para tais transformações periódicas é fornecida pelas distribuições de intensidade modulada no padrão de interferência incidente. A Figura 11.20 apresenta a difração de raios Xpadrões do filme de hematita CVD antes e depois da irradiação por interferência de laser. Como indicado na figura, o pico da magnetita aparece nos espécimes de filmes estruturados de hematita após interação com o padrão de interferência do laser.

A formação de domínios magnéticos e não-magnéticos periódicos nos filmes de óxido de ferro pelo processamento de interferências a laser oferece várias aplicações (Sivakov et al. 2005).

A irradiação do padrão de interferência a laser também pode iniciar a formação periódica de compostos intermetálicos na matriz homogênea e, assim, realizar as superfícies compósitas com alta resistência intermetálica e ductilidadematerial de matriz. Isso é demonstrado para o caso de filmes de Ni-Al depositados em wafers Si. Filmes de Ni-Al (900 nm de espessura) com relação estequiométrica de 3: 1 depositados por sputtering magnetron foram modificados por padrões de interferência de laser.

Com base na difração de raios X, foi relatado que o Ni Al intermetálico é formado nas áreas de interação do laser com o filme. Além disso, estudos de nanoindentação indicaram que a formação de fases intermetálicas periódicas éassociado à modulação periódica das propriedades mecânicas. A dureza de indentação na faixa de 10 GPa é observada na área modificada a laser (onde ocorre a reação intermetálica) em comparação com a dureza média de 4 GPa naáreas não tratadas (Fig. 11.21) (Liu et al. 2003).

Fig. 11.21 (a) Perfil de superfície AFM, (b) imagem de nanoindentações na região tratada a laser, e (c) distribuição de dureza através de um período de interferência em um filme de Ni-Al de 900 nm irradiado com padrão de interferência a laser. (Reimpresso deLiu et al. 2003. Com permissão. Copyright Elsevier.)

Estruturação de Biomateriais

Recentemente, o processamento de interferência a laser para modificar as superfícies de biomateriais está atraindo importantes interesses de pesquisa. Sugeriu-se que a química e a topografia dos biomateriais podem ser favoravelmente modificadas porIrradiação com padrão de interferência de laser para melhor interação célula-superfície e conseqüente fixação, espalhamento e orientação das células na superfície. As técnicas de interferência para modificar as superfícies dos biomateriaisbaseiam-se na ablação seletiva do material nas máximas de interferência, resultando em micropadrões que consistem em cordões e sulcos bem definidos. Espera-se que tais micropadrões direcionem o crescimento celular em direções específicas(orientação de contato). A vantagem significativa desta técnica, comparada com o padrão aleatório, é que os micropadrões na superfície dos biomateriais podem ser eficientemente controlados nas dimensões desejadas (periodicidade, altura,e largura de linhas ou pontos) controlando os parâmetros de processamento do laser. Além disso, uma variedade de biomateriais, como metal, cerâmica e polímeros, pode ser efetivamente modificada (Li et al., 2003).

A maior parte do trabalho recentemente relatado sobre os estudos de padrões de interferência de biomateriais é limitado a poucos biopolímeros. Os parâmetros importantes das superfícies modeladas por interferência a laser que se espera que tenham influência sobrea adesão, crescimento e orientação da célula são o ângulo de contato, a dimensão do período, a morfologia (linhas ou pontos). A Figura 11.22 apresenta a influência da fluência do laser na profundidade do micropadrão e o ângulo de contato em 100um de espessuraFilme de policarbonato irradiado com padrão de interferência a laser. Como indicado na figura, a profundidade do micropadrão aumenta e o ângulo de contato diminui com a fluência do laser. Assim, a topografia e as características de molhamentopode ser modificado por padrões de interferência de laser para promover a adesão celular (Yu et al. 2005a, b).

Embora estudos extensos sejam relatados sobre a caracterização das estruturas de interferência obtidas em diversos materiais, poucos estudos foram relatados sobre a interação de células com superfícies modificadas por laser. Figura 11.23apresenta os resultados de um dos estudos sobre as respostas da célula HPF (fibroblastos pulmonares humanos) às estruturas de linha e estruturas pontuais obtidas na superfície de filmes de policarbonato (PC) por interferência de laser de dois ou mais feixes. oAs células cultivadas nas superfícies estruturadas eram principalmente fusiformes e bipolares. Além disso, como indicado nas fotografias de luz, as células cultivadas nos padrões de linha mostram crescimento direcional paralelo às linhas, enquanto as células cultivadas emos padrões de pontos mostraram principalmente orientações aleatórias (Yu et al. 2005a).

Resumindo, o processamento de interferência a laser de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos avançados oferece um tremendo potencial para ser usado em aplicações onde a modulação periódica de propriedades e topografia é desejada. A tecnologiaainda é relativamente novo e apresenta várias direções para pesquisa. Até o momento, a maioria dos estudos tratou da caracterização de padrões periódicos em vários sistemas e da influência paramétrica dos parâmetros do laser na morfologia.e topografia das estruturas de interferência geradas nas superfícies dos materiais. A modulação da intensidade de energia no padrão de interferência dá origem à complexidade dos efeitos térmicos, como a temperatura não homogêneadistribuições, gradientes de temperatura, taxas de resfriamento e tensões térmicas. Esses efeitos térmicos têm forte influência no fluxo de fluidos, solidificação, desenvolvimento de microestrutura, tensões térmicas, etc. Uma combinação de modelagem eEstudos experimentais sobre a interação material-laser durante o processamento de interferência fornecerão informações adicionais para o avanço do processo nas aplicações emergentes.

Fig. 11.22 Efeito da fluência do laser sobre (a) profundidade do micropadrão de linha (período 5um) e (b) ângulo de contato após irradiação por interferência do laser com laser Nd: YAG Q-switched de comprimento de onda 266 nm. (Reimpresso de Yu et al. 2005a. Compermissão. Copyright American Chemical Society.)

Referências 475

Fig. 11.23 Fotografias claras mostrando células HPF cultivadas em películas de PC estruturadas por interferência de laser: (a) padrão linear com um período de 3um, (b) padrão linear com um período de 9um, (c) padrão pontual com um período de 5um, e (d) pontopadrão com um período de 7um. Todos os substratos foram revestidos com colágeno. (Reimpresso de Yu et al., 2005a. Com permissão. Copyright American Chemical Society.)