Einfluss von Oberflächentopographie und -chemie auf das Benetzungsverhalten laserstrukturierter, metallischer Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Kopnarski; Professor Dr. Michael Moseler; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435334669

Das Benetzungsverhalten von Oberflächen hat drastische Auswirkungen auf beispielsweise deren antimikrobielle Eigenschaften, Reib- und Verschleißeigenschaften, oder auch deren Haftfähigkeit. Das Verfahren der Laserstrukturierung erlaubt es die Benetzungseigenschaften von Oberflächen gezielt zu verändern. Durch das lokale Einbringen von Energie werden s-wohl Oberflächenchemie als auch -topografie modifiziert, was beides Einfluss auf die Benetzungseigenschaften ausübt. Der vorliegende Antrag untersucht systematisch den Einfluss der Laserstrukturierung metallischer Oberflächen auf deren Benetzungseigenschaften. Speziell sollen die dafür relevanten Schlüsselparameter, unter Zuhilfenahme experimenteller und simulativer Methoden, identifiziert werden. Das erste Ziel besteht in der Erzeugung und Charakterisierung laserstrukturierter Kupferproben und dem Erstellen geeigneter Modellsysteme. Für die Laserstrukturierung wird das äu-ßerst präzise und effiziente Verfahren der Laserinterferenzstrukturierung (Direct Laser Interference Patterning, DLIP) genutzt. Dabei kommen drei unterschiedliche, gepulste Laser-systeme (ns, ps, fs) zum Einsatz, um so, durch Ausnutzung der variierenden Laser-Materialwechselwirkung in Abhängigkeit der Pulsdauer, unterschiedliche Oberflächenchemie bei weitestgehend gleicher Topografie zu erhalten. Der Effekt einer inhomogenen oberflächlichen Chemie soll zunächst durch eine Maskierung mittels Sputterprozessen ausgeblendet werden. Die resultierende Topografie und Oberflächenchemie der hergestellten Proben werden hochaufgelöst analysiert, um so geeignete Modellsysteme zu erstellen. Dabei kommen drei unterschiedliche Ansätze zum Einsatz: Energieminimierung, Molekulardynamik Simulationen (MD) mit vergröberter Repräsentation der atomistischen Struktur und voll atomistische MD Simulationen. Weiterhin wird das Benetzungsverhalten der chemisch homogenen Obe-flächen sowohl makroskopisch, als auch durch eine speziell entwickelte Methode (Partial Least Squares Algorithmus) hochortsaufgelöst, bestimmt. Das zweite Ziel besteht aus der Simulation des Benetzungsverhaltens der chemisch homogenen Proben mit den vorher genannten Methoden. Hierbei sollen der Einfluss der primären Laserstruktur, der Oberflächenchemie sowie einer überlagerten Nanorauheit eruiert werden. Weiterhin werden Kontinuumsansatz und MD Simulationen verglichen, was eine wichtige Voraussetzung für weiterführende Multiskalenmodellierungen darstellt. Das finale Ziel besteht in der Identifikation der Schlüsselparameter bei der Benetzung von laserstrukturierten, chemisch inhomogenen Oberflächen und dem Vergleich zwischen Experiment und Simulation. Insbesondere sollen die Vorhersagekraft und der benötigte Berechnungsaufwand der Simulationsmethoden bewertet werden. Dies ist in Bezug auf das Benetzungsverhalten von laserstrukturierten, metallischen Oberflächen als Meilenstein auf diesem Gebiet zu werten, da hier in der relevanten Literatur bis dato kein Konsens besteht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christian Motz