Study of surface hydrophilicity of metallic materials modified by ultraviolet laser radiation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Surface modification using laser radiation is a promising direction in the field of creating new technologies for treatment metal materials, including those for medical purposes. The ability of lasers to change the surface characteristics of a material and, consequently, its interaction with the environment has attracted great interest among researchers. Despite numerous recommendations for the use of laser surface treatment, there is still lack of systematic and detailed studies on the influence of parameters on the structural-phase state and properties of the modified surface, especially concerning ultraviolet laser exposure. The purpose of this work is to study the hydrophilicity of the surface of TiNi alloy and stainless steel after UV laser treatment. Materials and methods of the study: experimental samples made of TiNi (TN-10) alloy and 12KH18N9T (AISI 321) stainless steel were locally (beam diameter 0.5 cm) exposed to a solid-state Nd:YAG laser at the wavelength of 266 nm, with a pulse duration of ~ 5 ns, and pulse repetition rate of 10 Hz. The material was exposed to a constant output radiation energy density of 0.1 J/cm2, with a change in the exposure duration from 10 to 600 s. Before and after UV laser treatment, the wettability of the material surface and free surface energy were determined. The structure, elemental and phase composition, and surface topography of TiNi and steel were studied using scanning electron microscopy with the determination of the elemental composition by energy-dispersive spectroscopy, X-ray phase analysis, and profilometry. Results and discussion. Ultraviolet laser treatment of the surface of TiNi alloy and steel samples leads to an increase in their hydrophilicity. In the initial state, the contact angle of wetting is ≈75° for both materials, and after ultraviolet laser treatment it decreases to ≈11-13° for TiNi and to ≈22° for steel. The phase composition of steel does not change during laser treatment, and phases belonging to oxides are recorded on the surface of TiNi after 420 seconds of treatment. Ultraviolet laser treatment of TiNi alloy and steel leads to an increase in free surface energy, a change in the ratio of its components (a decrease in the dispersed component and a significant increase in the polar component), an increase in the oxygen content on the surface of both materials. With long laser exposure times (more than 300 seconds), microcracking occurs on the surface of the processed material, leading to an increase in roughness. The change in the surface topography (roughness) of TiNi alloy does not have a noticeable effect on the wettability of the surface of metal materials, and for steel samples, there is an insignificant tendency to reduce the contact wetting angle with increasing roughness. The degree of hydrophilicity of metal materials, characterized by the contact wetting angle, increases with an increase in the duration of laser exposure due to saturation of the surface with free oxygen and an increase in free surface energy (its polar component). Based on the studies, it can be concluded that ultraviolet laser treatment is an effective way to change the wettability of metal materials.

About the authors

T. Yu. Sablina

Email: sabltat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5941-5732
Ph.D. (Engineering), Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, sabltat@mail.ru

M. Yu. Panchenko

Email: panchenko.marina4@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0236-2227
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, panchenko.marina4@gmail.com

I. A. Zyatikov

Email: zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-3219-9299
Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru

A. V. Puchikin

Email: puchikin@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0001-6931-9800
Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, puchikin@lgl.hcei.tsc.ru

I. N. Konovalov

Email: ivan@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-1166-1416
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, ivan@lgl.hcei.tsc.ru

Y. N. Panchenko

Email: yu.n.panchenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8017-7268
D.Sc. (Physics and Mathematics), Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation, yu.n.panchenko@mail.ru

References

  1. Slobodyan M.S., Markov A.B. Laser and electron-beam surface processing on TiNi shape memory alloys: a review // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (5). – P. 565–615. – doi: 10.1007/s11182-024-03158-5.
  2. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом / А.В. Филиппов, Н.Н. Шамарин, Е.Н. Москвичев, О.С. Новицкая, Е.О. Княжев, Ю.А. Денисова, А.А. Леонов, В.В. Денисов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 87–102. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-87-102.
  3. The influence of surface treatment on wettability of TiNi-based alloy / Y.F. Yasenchuk, S.V. Gunther, O.V. Kokorev, E.S. Marchenko, V. Gunther, G.A. Baigonakova, K.M. Dubovikov // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (2). – P. 333–338. – doi: 10.1007/s11182-019-01716-w.
  4. Surface treatment of metals in the plasma of a nanosecond diffuse discharge at atmospheric pressure / M. Erofeev, V. Ripenko, M. Shulepov, V. Tarasenko // The European Physical Journal D: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2017. – Vol. 71. – Art. 117. doi: 10.1140/epjd/e2017-70636-6.
  5. Research progress of metal biomaterials with potential applications as cardiovascular stents and their surface treatment methods to improve biocompatibility / X. Duan, Y. Yang, T. Zhang, B. Zhu, G. Wei, H. Li // Heliyon. – 2024. – Vol. 10 (4). – P. e25515. – doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e25515.
  6. Kolobov Yu.R. Nanotechnologies for the formation of medical implants based on titanium alloys with bioactive coatings // Nanotechnologies in Russia. – 2009. – Vol. 4 (11–12). – P. 758–775. – doi: 10.1134/S1995078009110020.
  7. Studying the influence of nanosecond pulsed laser action on the structure of submicrocrystalline titanium / Y.R. Kolobov, S.S. Manokhin, G.V. Odintsova, V.I. Betekhtin, A.G. Kadomtsev, M.V. Narykova // Technical Physics Letters. – 2021. – Vol. 47. – P. 721–725. – doi: 10.1134/S1063785021070245.
  8. Ionin A.A., Kudryashov S.I., Samokhin A.A. Material surface ablation produced by ultrashort laser pulses // Physics-Uspekhi. – 2017. – Vol. 60. – P. 149–160. – doi: 10.3367/UFNe.2016.09.037974.
  9. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K. Laser processing of metallic biomaterials: an approach for surface patterning and wettability control // The European Physical Journal Plus. – 2015. – Vol. 130 (12). – Art. 247. – doi: 10.1140/epjp/i2015-15247-5.
  10. Mironov Yu.P., Meisner L.L., Lotkov A.I. The structure of titanium nickelide surface layers formed by pulsed electron-beam melting // Technical Physics. – 2008. – Vol. 53 (7). – P. 934–942. – doi: 10.1134/S1063784208070189.
  11. LASER as a tool for surface modification of dental biomaterials: a review / R. Saran, K. Ginjupalli, S.D. George, S. Chidangil, V.K. Unnikrishnan // Heliyon. – 2023. – Vol. 9 (6). – P. e17457. – doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e17457.
  12. Ajmal S., Hashmi F.A., Imran I. Recent progress in development and applications of biomaterials // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62 (1). – P. 385–391. – doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.233.
  13. Enhanced bone apposition to a chemically modified SLA titanium surface / D. Buser, N. Broggini, M. Wieland, R.K. Schenk, A.J. Denzer, D.L. Cochran, B. Hoffmann, A. Lussi, S.G. Steinemann // Journal of Dental Research. – 2004. – Vol. 83. – P. 529–533. – doi: 10.1177/154405910408300704.
  14. Graded functionality obtained in NiTi shape memory alloy via a repetitive laser processing strategy / Y. Yang, Z.G. Wu, B.Y. Shen, M.Z. Wu, Z.S. Yuan, C.Y. Wang, L.C. Zhang // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 296. – P. 117177. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117177.
  15. Surface characterizations of laser modified biomedical grade NiTi shape memory alloys / A. Pequegnat, A. Michael, J. Wang, K. Lian, Y. Zhou, M.I. Khan // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 367–378. – doi: 10.1016/j.msec.2015.01.085.
  16. The effect of fs-laser micromachining parameters on surface roughness, bio-corrosion and biocompatibility of nitinol / V. Chenrayan, V. Vaishnav, K. Shahapurkar, P. Dhanabal, M. Kalayarasan, S. Raghunath, M. Mano // Optics and Laser Technology. – 2024. – Vol. 170. – P. 110200. – doi: 10.1016/j.optlastec.2023.110200.
  17. Biocompatibility of the micro-patterned NiTi surface produced by femtosecond laser / C. Liang, H. Wang, J. Yang, B. Li, Y. Yang, H. Li // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 261. – P. 337–342. – doi: 10.1016/j.apsusc.2012.08.011.
  18. Surface microtexturing of Ti–6Al–4V using an ultraviolet laser system / W.-T. Hsiao, H.-C. Chang, A. Nanci, R. Durand // Materials and Design. – 2016. – Vol. 90. – P. 891–895. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.11.039.
  19. Benay U.-Y. Mechanical performance of metallic biomaterials: fundamentals and mechanism // Multiscale cell-biomaterials interplay in musculoskeletal tissue engineering and regenerative medicine / ed. by J. Miguel Oliveira, R.L. Reis, S. Pina. – Academic Press, 2024. – Ch. 5. – P. 113–126. – ISBN 978-0-323-91821-3. – doi: 10.1016/B978-0-323-91821-3.00011-6.
  20. Biocompatibility of micro/nanostructures nitinol surface via nanosecond laser circularly scanning / S. Li, Z. Cui, W. Zhang, Y. Li, L. Li, D. Gong // Materials Letters. – 2019. – Vol. 255. – P. 126591. – doi: 10.1016/j.matlet.2019.126591.
  21. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of picosecond laser microstructured aluminum in ambient air / J. Long, M. Zhong, H. Zhang, P. Fan // Journal of Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 441. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.jcis.2014.11.015.
  22. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K.Improving the hydrophilicity of metallic surfaces by nanosecond pulsed laser surface modification // Journal of Laser Applications. – 2015. – Vol. 27 (4). – P. 042006-1–042006-9. – doi: 10.2351/1.4928290.
  23. Es-Souni M., Es-Souni M., Fischer-Brandies H. Assessing the biocompatibility of TiNi shape memory alloys used for medical applications // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2005. – Vol. 381. – P. 557–567. – doi: 10.1007/s00216-004-2888-3.
  24. Shabalovskaya S.A. Physicochemical and biological aspects of nitinol as a biomaterial // International Materials Reviews. – 2001. – Vol. 46. – P. 233–250. – doi: 10.1179/095066001771048745.
  25. Laser-induced wettability gradient surface on NiTi alloy for improved hemocompatibility and flow resistance / Q. Zhang, J. Dong, M. Peng, Z. Yang, Y. Wan, F. Yao, J. Zhou, C. Ouyang, X. Deng, H. Luo // Materials Science and Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110847. – doi: 10.1016/j.msec.2020.110847.
  26. Structure formation on titanium during oxidation induced by cumulative pulsed Nd:YAG laser irradiation / E. György, A. Pérez del Pino, P. Serra, J.L. Morenza // Applied Physics. A, Materials Science & Processing. – 2004. – Vol. 78 (5). – P. 765–770. – doi: 10.1007/s00339-002-2054-8.
  27. Fabrication of superhydrophilic surface on metallic nickel by sub-nanosecond laser-induced ablation / H.-Z. Zhu, H.-C. Zhang, X.-W. Ni, Z-H. Shen, J. Lu // AIP Advances. – 2019. – Vol. 9 (8). – P. 085308. – doi: 10.1063/1.5111069.
  28. Study on the surface properties and biocompatibility of nanosecond laser patterned titanium alloy / Y. Wang, M. Zhang, K. Li, J. Hu // Optics and Laser Technology. – 2021. – Vol. 139. – P. 106987. – doi: 10.1016/j.optlastec.2021.106987.
  29. Surface morphology modifications of titanium based implant induced by 40 picosecond laser pulses at 266nm / D.S. Milovanovic, B. Radak, B.M. Gakovic, D. Batani, M.D. Momcilovic, M.S. Trtica // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 501 (1). – P. 89–92. – doi: 10.1016/j.jallcom.2010.04.047.
  30. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1969. – Vol. 13 (8). – P. 1741–1747. – doi: 10.1002/app.1969.070130815.
  31. Razi S., Madanipour K., Mollabashi M. Laser surface texturing of 316L stainless steel in air and water: a method for increasing hydrophilicity via direct creation of microstructures // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 80. – P. 237–246. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.12.022.
  32. Nanopatterned metallic surfaces: their wettability and impact on ice friction / A. Kietzig, M. Mirvakili, S. Kamal, P. Englezos // Journal of Adhesion Science and Technology.– 2011. – Vol. 25. – P. 1293–1303.
  33. Dynamics of titanium surface characteristics after its treatment by runaway electron preionized diffuse discharge / M.A. Shulepov, M.V. Erofeev, V.S. Ripenko, V.F. Tarasenko // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 830. – P. 012090. – doi: 10.1088/1742-6596/830/1/012090.
  34. Surface XPS characterization of NiTi shape memory alloy after advanced oxidation processes in UV/H2O2 photocatalytic system / R.M. Wang, C.L. Chu, T. Hu, Y.S. Dong, C. Guo, X.B. Sheng, P.H. Lin, C.Y. Chung, P.K. Chu // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 253 (20). – P. 8507–8512. – doi: 10.1016/j.apsusc.2007.04.018.
  35. Hashimoto K., Irie H., Fujishima A. TiO2 photocatalysis: a historical overview and future prospects // Japanese Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 44 (12). – P. 8269–8285. – doi: 10.1143/JJAP.44.8269.
  36. Photoinduced surface reactions on TiO2 and SrTiO3 films: photocatalytic oxidation and photoinduced hydrophilicity / M. Miyauchi, A. Nakajima, A. Fujishima, K. Hashimoto, T. Watanabe // Chemistry of Materials. – 2000. – Vol. 12. – P. 3–5. – doi: 10.1021/cm990556p.
  37. Photocatalysis and photoinduced hydrophilicity of various metal oxide thin films / M. Miyauchi, A. Nakajima, T. Watanabe, K. Hashimoto // Chemistry of Materials. – 2002. – Vol. 14. – P. 2812–2816. – doi: 10.1021/cm020076p.
  38. Gentleman M.M., Ruud J.A. Role of hydroxyls in oxide wettability // Langmuir. – 2010. – Vol. 26 (3). – P. 1408–1411. – doi: 10.1021/la903029c.
  39. Рудакова А.В., Емелин А.В. Фотоиндуцированное изменение гидрофильности поверхности тонких пленок // Коллоидный журнал. – 2021. – Т. 83 (1). – С. 3–34. – doi: 10.31857/S0023291221010109.
  40. Surface oxidation phenomenon and mechanism of AISI 304 stainless steel induced by Nd:YAG pulsed laser / C.Y. Cui, X.G. Cui, X.D. Ren, M.J. Qi, J.D. Hu, Y.M. Wang // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 305. – P. 817–824.
  41. In vitro biocompatibility of the surface ion modified NiTi alloy / E. Gudimova, L. Meisner, A. Lotkov, V. Matveeva, S. Meisner, A. Matveev, O. Shabalina // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 020071. – doi: 10.1063/1.4966364.
  42. The structure of the NiTi surface layers after the ion-plasma alloying of Ta / T.M. Poletika, S.L. Girsova, L.L. Meisner, E.Yu. Schmidt, S.N. Meisner // AIP Conference Proceedings. – 2015. – Vol. 1683 (1). – P. 020183. – doi: 10.1063/1.4932873.
  43. Structure and chemical state of oxide films formed on crystalline TiNi alloy and glassy Ti-Ni-Ta-Si surface alloy / V.O. Semin, E.Y. Gudimova, S.Y. Timoshevskaya, E.V. Yakovlev, A.B. Markov, L.L. Meisner // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2023. – Vol. 32. – P. 8478–8492. – doi: 10.1007/s11665-022-07727-y.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».