Учёные из Института электрофизики и электроэнергетики РАН и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН разработали метод оценки размеров наноструктур, получаемых лазерным плавлением поверхности. С его помощью можно управлять процессами формирования таких структур, что и было доказано в ходе экспериментов на титане

Наноструктурирование поверхностей приводит к улучшению их физико-механических, оптических, химических характеристик. Такие поверхности считаются перспективными для применения во многих областях: оптоэлектронике, архитектуре, металлургии, агропромышленности, экологии и особенно медицине, в частности ортопедии и стоматологии. Сегодня такие поверхности получают, как правило, методом атомарно-молекулярной сборки, который подразумевает манипулирование отдельными атомами и молекулами с помощью устройств на основе атомно-силовых и туннельных микроскопов. Процесс весьма продолжительный, трудоёмкий, а значит, и дорогой.

Значительно менее затратным признан метод лазерного плавления поверхностей. Под воздействием высокоэнергетического излучения материал проплавляется до определённой глубины, после чего излучение снимается, поверхность постепенно охлаждается и появляются первые кристаллические зародыши твёрдой фазы – будущие центры кристаллизации атомов из расплава. В результате на поверхности, как правило, появляется рельеф с характерными наноразмерными особенностями.

К сожалению, на сегодняшний день метод лазерного плавления даёт непредсказуемые результаты. Поэтому учёные стремятся найти надёжный способ оценки и предсказания размеров поверхностных структур в зависимости от различных параметров работы лазера.

Российским исследователям из Института электрофизики и электроэнергетики РАН и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН удалось разработать модель, по которой оценить размеры наноповерхностей можно, основываясь на знании параметров мощности и времени работы лазера.

Сложные теоретические расчёты подтвердились экспериментальным путём. Различные поверхности подвергались излучению аргон-фторного лазера c длиной волны излучения в 193 нм для получения наноструктурированных поверхностей. При этом, изменяя длительность световых импульсов и время воздействия излучения, исследователи управляли и плотностью энергии излучения. После этого с помощью средств атомной силовой микроскопии оценивался профиль полученных поверхностей, определялись характерные перепады высот рельефа на поверхности.

При длительности облучения в 10–6 секунд на поверхности титана, в полном соответствии с предсказаниями модели, появились наноструктуры с характерными размерами в 60 нм, а с уменьшением времени воздействия из расплава уже получается только аморфная метастабильная фаза, что, опять же, органично вписывается в теорию. Таким образом, в процессе исследования учёными была «установлена зависимость параметров образующейся поверхностной наноструктуры от плотности энергии в падающем пучке, что указывает на возможность управления процессами формирования таких структур».