تاثیر هندسه بافت سطحی لیزری و حجم قطره بر زاویه تماس با زیر لایه Ti6Al4V

محورهای موضوعی : بیومواد

غلامرضا دباغ ¹ , سید خطیب الاسلام صدرنژاد ² , رضا شجاع رضوی ³ , امیرعباس نوربخش ⁴ , ناهید حسن زاده نعمتی ⁵

1 - دانشجوی دکتری بیومتریال، گروه مهندسی پزشکی، واحدعلوم وتحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران،ایران
2 - پروفسور علم مواد ومهندسی، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران،
3 - پروفسور علم مواد و مهندسی، دانشکده مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران
4 - دانشیار علم مواد و مهندسی، گروه علم مواد، واحد شهرضا، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرضا، کد پستی 8165663997،
5 - بیومواد، واحد علوم و تحقیقات تهران

تاریخ دریافت : 1401/08/28 تاریخ پذیرش : 1401/11/26 تاریخ انتشار : 1402/09/01

کلید واژه: زاویه تماس سطحی, بافت سطحی لیزری, زاویه خطوط متقاطع, حجم قطره, روش قطره ساکن,

چکیده مقاله :

اصلاح سطح کاشتنی با ایجاد بافت سطحی لیزری بهترین روش شناخته شده برای افزایش چسبندگی است. بهترین الگوی بافت سطحی لیزری هنوز ناشناخته است. به منظور بررسی ویژگیهای دیگری از الگوی جدید پیشنهادی نویسندگان، در این پژوهش ابتدا بافتهای جدید خطوط متقاطع با زاویه های 0، 15، 30، 45، 60، 75 و 90 درجه روی سطح آلیاژ Ti6Al4V با استفاده از لیزر پالسی Nd:YAG ایجاد گردید. سپس زاویه تماس قطرات آب به دو روش 1- ثبت و آنالیز تصویر قطره و 2– بکارگیری معادلات اکسترند و مون اندازه گیری شد. قطره‌های آب در دو حجم μlit 1 و μlit 25 انتخاب شدند. با استفاده از میکروسکوپ متالورژی، SEM ، بکارگیری معادلات ونزل و کسی و رسم نمودارهای مربوطه، تاثیر زاویه بین خطوط، ارتفاع، جدایی و پهنای ستون‌های بافت سطحی بر زاویه تماس قطره بررسی شد. مدل کلاسیکی ترشوندگی بافت ها تعیین شد. نتایج نشان داد برای قطره با حجم μlit 1 زاویه تماس در هر دو روش تقریبا ثابت و مستقل از زاویه خطوط متقاطع است که سازگاری خوبی با نتایج تحقیقات قبلی دارد. برای قطره با حجم μlit 25 زاویه تماس در هر دو روش متغیر و وابسته به زاویه خطوط متقاطع می‌باشد. مدل کلاسیک ترشوندگی بافت ها در هر دو حجم قطره منطبق بر مدل ونزل می‌باشد.

چکیده انگلیسی:

Implant surface modification by creating laser surface texturing is the best known method to increase adhesion. The best pattern of laser surface texturing is still unknown. In order to investigate other features of the new pattern proposed by the authors, in this research, first, the new surface patterns of intersecting lines with angles of 0, 15, 30, 45, 60, 75, and 90 degrees on the surface of Ti6Al4V alloy using pulse Nd: YAG laser was created. Then the contact angle of water droplets was measured by two methods: 1- recording and analyzing the image of the droplet and 2- using Extrand and Moon equations. Water droplets were selected in two volumes of 1 μlit and 25 μlit. Using metallurgical microscope, SEM, applying Wenzel and Cassie equations and drawing the corresponding diagrams, the effect of the angle between the lines, height, separation, and width of the surface texture columns on the contact angle of the droplet was investigated. The classical model of textures wettability was determined. The results showed for droplet with volume of 1 μlit the contact angle in both methods is almost constant and independent of the angle of the intersecting lines which is in good agreement with the results of previous researches. For droplet with volume of 25 μlit the contact angle in both methods is variable and dependent on the angle of the intersecting lines. The classical model of textures wettability in both droplet volumes is consistent with Wenzel's model.

منابع و مأخذ:

[1] Q. Zheng, L. Mao, Y. Shi, W. Fu & Y. Hu, "Biocompatibility of Ti6Al4V Titanium Alloy Implants with Laser Microgrooved Surfaces", Materials Thechnology, vol. 55, pp. 1-10, 2020.
[2] Y. Yan, E. Chibowski & A. Szczes, "Surface Properties of Ti6Al4V Alloy part I: Surface Roughness and Apparent Surface Free Energy", Materials Science and Engineering C, vol. 70, pp. 207-215, 2017.

[3] K. Y. Law & H. Zhao, "Surface Wetting: Characterization, Contact Angle, and Fundamentals", Springer, 2016.


[4] A. Marmur & E. Bittoun, "When Wenzel and Cassie are right: reconciling local and global considerations", Langmuir, vol. 25, pp. 1277-1281, 2009.

[5] A. Marmur, "Soft contact: measurement and interpretation of contact angles", Soft Matter, vol. 2, pp. 12-17, 2006.

[6] A. Amirfazli, D. Y. Kwok, J. Gaydos & A. W. Neumann, "Line tension measurements through drop size dependence of contact angle", Colloid Interface Science, vol. 205, pp. 1-11, 1998.

[7] A. Marmur, "Line tension and the intrinsic contact angle in solid–liquid–fluid systems". Colloid Interface Science, vol. 186, pp. 462-466, 1997.

[8] S. Kranias, "Effect of drop volume on static contact angles", Technical note 310e: Kruss GmbH, France, 2004.

[9] C. W. Extrand & S. I. Moon, "When sessile drop Are No longer small: transitions from spherical to fully flattened", Langmuir, vol. 25, pp. 11815-11822, 2010.

[10] C. E. Cansoy, "The effect of drop size on contract angle measurements of superhydrophobic surfaces", RSC Adv, vol. 4, pp. 1197-1203, 2014.

[11] T. Zhao & L. Jiang, "Contact angle measurement of natural materials", Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol. 161, pp. 324-330, 2018.

[12] J. W. Drelich, "Contact angles: From past mistakes to new developments through liquid-solid adhesion measurements", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 267, pp. 1-14, 2019.

[13] H. Gokberk Ozcelik, E. Satiroglu, & M. Barisik, "Size Dependent Influence of Contact Line Pinning on Wetting of Nano-textured/patterned Silica Surfaces", Nanoscale, vol. 41, pp. 1-30, 2020.

[14] Gh. R. Dabbagh, S. K. Sadrnezhaad, R. Shoja Razavi, A. M. Nourbakhsh & N. Hassanzadeh Nemati, "Laser textured novel patterns on Ti6Al4V alloy for dental implants surface improvement", Laser Applications, vol. 33, pp. 1-17, 2021.

[15] K. T. Voisey, C. A. Scotchford, L. Martin & H. S. Gill, "Effect of Q-Switched Laser surface Texturing of Titanium on Osteoblast Cell Response", Physics Procedia, vol. 56, pp. 1126-1135, 2014.

[16] A. Y. Fasasi, S. Mwenifumbo, N. Rahbar, J. Chen, M. Li, A. C. Beye, C. B. Arnold & W. O. Soboyejo, "Nano – Second UV Laser Processed Micro – Grooves on Ti6Al4V for Biomedical Applications", Materials Science and Engineering C, vol. 29, pp. 5-13, 2009.

[17] Ch. Wang, H. Hu, Zh. Li, Y. Shen, Y. Xu, G. Zhang, X. Zeng, J. Deng, Sh. Zhao, T. Ren & Y. Zhang, "Enhanced Osseointegration of Titanium Alloy Implants with Laser Microgrooved Surface and Graphene Oxide Coating", Applied Materials & Interfaces, vol. 11, pp. 39470-39483, 2019.

[18] D. Li & A. W. Neumann, "Equation of State for Interfacial Tensions of Solid-Liquid Systems", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 39, pp. 299-345, 1992.

[19] R. N. Wenzel, “Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water”, Industrial and Engineering Chemistry, vol. 28, pp.988-994,1936.

[20] - A.B.D. Cassie, S.Baxter, “ Wettability of porous surfaces”, Transaction of the faraday society, vol. 40, pp. 546-551, 1944.

[21] W. Li & A. Amirfazli, "A thermodynamic approach for determining the contact angle hysteresis for superhydrophobic surfaces", Colloid Interface Science, vol. 292, pp. 195-201, 2005.

[22] W. Li & A. Amirfazli, "Superhydrophobic Surfaces: Adhesive Strongly to Water", Advanced Materials, vol. 19, pp. 3421-3422, 2007.

[23] W. Li & A. Amirfazli, "Microtextured superhydrophobic surfaces: A thermodynamic analysis", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 132, pp. 51-68, 2007.

متن کامل:



 

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هفدهم –  شماره سوم –  پاییز 1402 (شماره پیاپی 66)، ص­ص. 37-50
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

تأثیر هندسه بافت سطحی لیزری و حجم قطره بر زاویه تماس با زیر لایه Ti6Al4V

 

مقاله پژوهشی

 غلامرضا دباغ1، سید خطیب الاسلام صدرنژاد 2*، رضا شجاع رضوی3، امیرعباس نوربخش4، ناهید حسن­زاده نعمتی5

1- دانشجوی دکتری بیومتریال، گروه مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2- استاد تمام علم مواد و مهندسی، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

3- استاد تمام علم مواد و مهندسی، دانشکده مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

4- دانشیار علم مواد و مهندسی، گروه علم مواد، واحد شهرضا، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرضا، ایران.

5- استادیار مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال، گروه مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

* [e-mail]

 

 

Effect of Geometry of Laser Surface Texture and Droplet Volume on Contact Angle with Ti6Al4V Substrate

 

Gholam Reza Dabbagh1, Seyed Khadeb Al Islam Sadrnezhaad2*, Reza Shoja Razavi3, Amir Abbas Nourbakhsh4, Nahid Hassanzadeh Nemati5

 

1- Doctoral student, Department of Biomedical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

2- Professor of Materials Science and Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

3- Professor of Materials Science and Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malekashtar University of Technology, Tehran, Iran.

4- Associate Professor of Materials Science and Engineering, Department of Material Science, Shahreza Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.

5- Assistant Professor of Biomedical Engineering, Department of Biomedical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

* [e-mail]

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 24/08/1401 پذیرش: 26/10/1401		اصلاح سطح کاشتنی با ایجاد بافت سطحی لیزری بهترین روش شناخته شده برای افزایش چسبندگی است. بهترین الگوی بافت سطحی لیزری هنوز ناشناخته است. به‌منظور بررسی ویژگی‌های دیگری از الگوی جدید پیشنهادی نویسندگان، در این پژوهش ابتدا بافت‌های جدید خطوط متقاطع با زاویه‌های 0، 15، 30، 45، 60، 75 و 90 درجه روی سطح آلیاژ Ti6Al4V با استفاده از لیزر پالسی Nd:YAG ایجاد گردید. سپس زاویه تماس قطرات آب به دو روش 1- ثبت و آنالیز تصویر قطره و 2– بکارگیری معادلات اکسترند و مون اندازه‌گیری شد. قطره­های آب در دو حجم 1 و 25 انتخاب شدند. با استفاده از میکروسکوپ متالورژی، SEM، بکارگیری معادلات ونزل و کسی و رسم نمودارهای مربوطه، تأثیر زاویه بین خطوط، ارتفاع، جدایی و پهنای ستون­های بافت سطحی بر زاویه تماس قطره بررسی شد. مدل کلاسیکی ترشوندگی بافت‌ها تعیین شد. نتایج نشان داد برای قطره با حجم 1 زاویه تماس در هر دو روش تقریباً ثابت و مستقل از زاویه خطوط متقاطع است که سازگاری خوبی با نتایج تحقیقات قبلی دارد. برای قطره با حجم  25 زاویه تماس در هر دو روش متغیر و وابسته به زاویه خطوط متقاطع می­باشد. مدل کلاسیک ترشوندگی بافت‌ها در هر دو حجم قطره منطبق بر مدل ونزل می­باشد.
کلید واژگان: زاویه تماس سطحی بافت سطحی لیزری زاویه خطوط متقاطع حجم قطره روش قطره ساکن

Abstract		Article Information
Implant surface modification by creating laser surface texturing is the best known method to increase adhesion. The best pattern of laser surface texturing is still unknown. In order to investigate other features of the new pattern proposed by the authors, in this research, first, the new surface patterns of intersecting lines with angles of 0, 15, 30, 45, 60, 75, and 90 degrees on the surface of Ti6Al4V alloy using pulse Nd: YAG laser was created. Then the contact angle of water droplets was measured by two methods: 1- recording and analyzing the image of the droplet and 2- using Extrand and Moon equations. Water droplets were selected in two volumes of 1 μlit and 25 μlit. Using metallurgical microscope, SEM, applying Wenzel and Cassie equations and drawing the corresponding diagrams, the effect of the angle between the lines, height, separation, and width of the surface texture columns on the contact angle of the droplet was investigated. The classical model of textures wettability was determined. The results showed for droplet with volume of 1 μlit the contact angle in both methods is almost constant and independent of the angle of the intersecting lines which is in good agreement with the results of previous researches. For droplet with volume of 25 μlit the contact angle in both methods is variable and dependent on the angle of the intersecting lines. The classical model of textures wettability in both droplet volumes is consistent with Wenzel's model.		Original Research Paper Dor:  20.1001.1.24233226.1402.17.3.4.2
		Keywords: Surface Contact Angle Laser Surface Texturing Intersecting Lines Angle Droplet Volume Sessile Droplet Method

 

 

1- مقدمه

چسبیدن سلول به سطح کاشتنی1، نه‌تنها به میزان زبری سطح بلکه به ترشوندگی2 آن نیز وابسته است. معیارهای بررسی ترشوندگی سطح، اندازه‌گیری زاویه تماس و محاسبه انرژی آزاد آن می‌باشد [1-2]. زاویه تماس سطح جامد از روش‌های مختلفی اندازه‌گیری می‌شود که یکی از این روش‌ها، روش قطره‌ی ساکن (چسبیده یا نشسته) می‌باشد. در این روش قطره‌ی مایع با حجم مشخص و با استفاده از یک سرنگ یا قطره‌چکان مویرگی، روی سطح جامد قرار داده می‌شود و پس از چند ثانیه، با استفاده از دوربین دیجیتال، عکس‌برداری جانبی از مقطع قطره و سطح زیرین آن صورت می‌گیرد. با رسم بردارهای کشش سطحی و خط مماس بر سطح قطره (آنالیز تصویر قطره) می‌توان زاویه تماس  را اندازه‌گیری کرد [3]. 

معیار اساسی برای مطالعه زاویه تماس استاتیکی عبارت است از اینکه باید قطره مایع و سطح جامد زیرین آن از لحاظ فیزیکی و شیمیایی غیر برهم‌کنشی باشند و علاوه بر آن چون زاویه تماس به‌صورت نوری اندازه‌گیری می‌شود، سطح جامد باید از نظر نوری صاف باشد. به همین دلیل سیمای سطح3 جامد باید نسبت به‌اندازه قطر قطره مایع همگن باشد و هرگونه ناهمگنی ریزمقیاس که منشأ فیزیکی یا شیمیایی داشته باشد، باید کوچک بوده و باعث هیچ‌گونه تغییری در مشخصات نوری قطره ساکن نگردد. برای اندازه‌گیری دقیق و قابل تکرار زاویه تماس سطوح زبر یا دارای بافت سطحی، باید در انتخاب اندازه قطره دقت شود [3].

محاسبات نظری روی سطوح دارای بافت سطحی نشان داده است که برای جلوگیری از قابل‌توجه بودن انحراف خط تماس قطره ناشی از بافت سطح، اندازه قطره باید حداقل 2 تا 3 بار بزرگ‌تر از ابعاد بافت سطحی باشد و هم‌زمان نیز قطره باید آن‌قدر کوچک باشد که اطمینان حاصل شود شکل قطره توسط گرانش بیش‌ازحد منحرف نشده تا تأثیر کمی بر مشخصات نوری قطره داشته باشد [4-5]. زمانی که قطره‌های خیلی کوچک مورد مطالعه قرار می‌گیرند شاید نیاز باشد که اثر خط کشش روی اندازه‌گیری زاویه تماس در نظر گرفته شود [6-7]. ازآنجایی‌که اغلب قطر قطره آب ساکن حدود mm 5-1 است لذا پیشنهاد می‌شود که ابعاد بافت سطحی Ti6Al4V در رنج µm 200-100 انتخاب شوند تا داده‌های به‌دست‌آمده برای زاویه تماس هنوز مفید و قابل‌استفاده باشند [3]. 

کرینیس4 در سال 2004 نشان داد که برای قطره‌های در بازه‌ی 10- 1 چه سطوح آبدوست و چه آبگریز، حجم قطره روی زاویه تماس اندازه‌گیری شده هیچ تأثیری ندارد. به‌عنوان یک اولویت کرینیس اشاره کرد که بر ای سطوح آبدوست قطره‌های کوچک‌تر ترجیح داده می‌شوند و برای سطوح آبگریز، قطره‌های بزرگ‌تر مطلوب‌تر می‌باشند [8]. با فرض کروی بودن قطره، قطره‌ی ساکن با سه کمیت قطر پایه (2a)، ارتفاع (h) و زاویه تماس  توصیف می‌شود (شکل 1).

وابستگی شکل قطره و زاویه تماس به حجم قطره‌ی ساکن روی سطح PFA5 برای قطره‌های آب، اتیلن گلیکول و دی یودومتان در سال 2010 توسط اکسترند و مون6 مورد مطالعه قرار گرفت و اثر حجم قطره را همان‌گونه که از 1 تا 2000 میکرولیتر تغییر می‌کرد، بررسی کردند [9]. نتایج نشان داد که برای رژیم قطرات با حجم کوچک (تقریباً کمتر از  10) هر دوی 2a و h همان‌طوری که حجم قطره زیاد می‌شود، افزایش می‌یابند و 2a وابستگی خطی به h دارد که بیانگر انبساط قطره به‌صورت کروی است. همچنین نتیجه‌گیری شد که چنانچه قطرات به‌اندازه کافی کوچک باشند می‌توان آنها را بخشی از یک کره فرض کرده و h، a و با رابطه زیر تعریف می‌شوند:

 

 

 

 

 

که می‌توان را با اندازه‌گیری مقادیر  hو a از روی تصویر قطره ساکن، با کمک معادله زیر محاسبه نمود:

 

(1)

 

همچنین برای قطرات در رژیم متوسط (بین 10 تا  1000) می‌توان نوشت:

 

(2)

 

که می‌توانθ را با اندازه‌گیری مقادیر hm (ارتفاع قطره متوسط) و a از روی تصویر قطره ساکن، جایگذاری مقادیر مشخص  (انرژی آزاد سطح مایع)،  (چگالی) و g (شتاب ثقل محیط) با کمک معادله زیر محاسبه نمود:

 

(3)

 

 

شکل (1): تصویری شماتیک از رفتار قطره مایع بر روی سطح جامد.

 

نمونه: جهت‌گیری انرژی آزاد سطح جامد، انرژی آزاد سطح مایع، انرژی آزاد مرز مشترک جامد- مایع به انضمام زاویه تماس نشان داده شده است.  و 2a به ترتیب ارتفاع و قطر قطره‌ی ساکن می‌باشند. در سال 2014 مشاهده‌ای متفاوت توسط کنسوی7 گزارش شد که نشان می‌داد اندازه‌گیری زاویه تماس برای آب روی چندین سطح فوق آبگریز با میکروبافت­های سطحی، به‌اندازه قطره در محدوده‌ی 5/0 تا 19 میکرولیتر حساس نیست [10]. 

ژاا̕ و جانگ8 در سال 2018 نشان دادند که برای جلوگیری از تغییر شکل قطره ناشی از گرانش بایدآن را کوچک انتخاب نموده و حجم آن بین 5/0 تا 10 میکرولیتر باشد [11]. دریلیچ9 در سال 2019 با بررسی سطوح الگو دار نشان داد که مکان و مقدار طول و شکل خط تماس سه فاز جامد، مایع و بخار برای توصیف پایدارترین زوایای تماس موردنیاز است [12]. در سال 2020 توسط گوکبرک اوزچلیک و همکارانش10 تأثیر اندازه قطره روی زاویه تماس سطوح ناهمگن و الگو دار سیلیکا مورد بررسی قرار گرفت و نتیجه‌گیری شد که در رفتار درشت مقیاس هنگامی که نسبت اندازه قطره به‌اندازه ناهمگنی یا الگوی سطحی ثابت باشد، تغییرات زاویه تماس یک رفتار جهانی به‌صورت خطی ثابت، مستقل از اندازه قطره و الگوی سطح نشان می‌دهد. اگر قطر قطره تقریباً 24 برابر اندازه ساختار سطحی شود، اثر گیره‌ای ناپدید خواهد شد. چنانچه قطره همواره بر روی تعداد مشخصی از الگوها قرار گرفته باشد با افزایش حجم قطره زاویه تماس به‌صورت خطی افزایش می‌یابد [13].

با کاهش زاویه تماس، ترشوندگی یک سطح افزایش می‌یابد (و بالعکس) [1-2]. لذا به‌جای بررسی تأثیر ویژگی‌های سطح روی زاویه تماس به تأثیر این ویژگی‌ها روی ترشوندگی سطح پرداخته می شود. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سطح روی ترشوندگی آن تأثیرگذار است. از دید فیزیکی سطوح حتی با مقدار زبری یکسان هم اگر چنانچه دارای هندسه‌های متفاوت (بافت‌های سطحی متفاوت) باشند می‌توانند ترشوندگی کاملاً متفاوتی از خود نشان دهند [19]. از نقطه نظر ترمودینامیکی، موضوع هندسه سطح و تأثیرش بر ترشوندگی آن توسط مدل‌های کلاسیکی ونزل11 (ترشوندگی12 یا حالت غیر مرکب13) [19] و کسی14 (غیر ترشوندگی15 یا حالت مرکب16) [20] قابل پیش‌بینی است. مدل ونزل که در آن قطره مایع همه جای سطح زبر زیرین خود را تر می‌کند با معادله (5) تعریف می‌شود:

 

(4)

 

در این معادله  زاویه ونزل،  زاویه تماس سطح صاف (بدون بافت) همان ماده و r فاکتور زبری سطح17 (نسبت زبری ونزل18) است که با معادله (6) داده می‌شود:

 

(5)

 

در این معادله h ارتفاع، a پهنا و b جدایی ستون‌های بافت سطحی می‌باشد. دومین مدل عبارت است از مدل کسی (یا کسی- باکستر) که در آن هوا بین سطوح قطره مایع و جامد زیرین آن به دام می‌افتد و لذا همه جای سطح زبر توسط قطره مایع‌تر نمی‌شود که به این حالت غیرترشوندگی یا حالت مرکب نیز گفته می‌شود و با معادله (7) تعریف می‌شود:

 

(6)

 

در این معادله زاویه کسی- باکستر،  زاویه تماس سطح صاف (بدون بافت) همان ماده و f کسر جامد- مساحت19 (یا کسر جامد کسی20) است که با معادله (8) تعیین می‌شود:

 

(7)

 

 

لی و امیرفضلی21 در سال‌های 2005 و 2007 [21-23] ضمن معرفی معیاری برای انتقال بین حالت‌های ترشوندگی مرکب و غیر مرکب، نشان دادند که می‌توان از این معیار برای طراحی سطوح فوق آبگریز استفاده کرد. همچنین با استفاده از دو مدل ونزل و کسی به تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی سطوح فوق آبگریز دارای میکروبافت سطحی پرداختند.

نویسندگان این مقاله قبلاً در سال 2021 با استفاده از روش قطره‌ی ساکن22 زاویه‌ی تماس نمونه‌هایی از جنس Ti6Al4V که توسط لیزر پالسی Nd: YAG با طول‌موج nm 1064 و طول پالس nsec 170 بافت جدید خطوط کندگی متقاطع با زاویه‌های0، 15، 30، 45، 60، 75 و90 روی آنها به وجود آمده بود را برای قطره‌ی آب با حجم  5 اندازه‌گیری کردند [14]. سپس با محاسبه انرژی آزاد سطح نمونه‌ها، نتیجه‌گیری شد که وابستگی زاویه تماس و انرژی آزاد سطح به زاویه خطوط متقاطع بافت سطحی به‌صورت تابعی سینوسی می‌باشد. همچنین رابطه معنی‌داری بین زاویه تماس و انرژی آزاد سطح با تعداد کل خطوط، تعداد تقاطع‌های بافت سطحی لیزری و عمق میکروشیارها در آن حجم قطره دیده نشد. در این پژوهش نیز از همان نمونه‌ها (با همان جنس و ابعاد)، همان لیزر و همان بافت‌های سطحی لیزری استفاده شده است که این موضوع نقطه اشتراک مطالعه کنونی و تحقیق قبلی می‌باشد.

در این مطالعه برای بررسی ویژگی‌های دیگر بافت‌های جدید خطوط متقاطع با زاویه 0 تا 90 درجه، ابتدا وابستگی زاویه تماس به حجم قطره و زاویه خطوط متقاطع بافت سطحی در نمونه‌های مختلف، برای قطرات آب در دو حجم  1 و  25، از طریق دو روش 1) روش تجربی قطره‌ی ساکن و 2) روش محاسباتی با استفاده از معادلات اکسترند و مون چندین بار بررسی می‌گردد. سپس تأثیر کمیات هندسی بافت سطحی روی زاویه تماس قطره در هر دو حجم مطالعه و مدل کلاسیکی ترشوندگی نمونه‌ها تعیین می‌شود.

 

2- مواد و رو­ش تحقيق

در این پژوهش برای نمونه‌های آلیاژ Ti6Al4V به ابعاد 3mm 3×10×10 که توسط لیزر پالسی Nd: YAG با طول‌موج nm 1064 و طول پالس nsec 170 خطوط کندگی متقاطع با زاویه‌های0، 15، 30، 45، 60، 75 و90 روی آنها به وجود می‌آید، ابتدا با استفاده از روش تجربی ضبط و آنالیز تصویر قطره‌ی ساکن و سپس با بکارگیری معادلات اکسترند و مون، زاویه تماس قطره‌های آب در دو حجم 1-  1(رژیم کوچک) و 2-  25 (رژیم متوسط) اندازه‌گیری می‌شود. سپس تأثیر زاویه بین خطوط متقاطع، پهنا، ارتفاع و جدایی ستون‌های به وجود آمده ناشی از تابش لیزر بر زاویه تماس اندازه‌گیری شده، در هر دو حجم قطره، مورد بررسی قرار می‌گیرد. در انتها با استفاده از نتایج به‌دست‌آمده، مدل کلاسیکی ترشوندگی نمونه‌ها، ارزیابی و تعیین می‌شود.

 

2-1- مواد و آماده‌سازی نمونه­های Ti6Al4V

از یک شمش Ti6Al4V با استفاده از دستگاه وایرکات چینی مدل RobiFil 60 تعداد 8 قطعه مکعب مستطیلی به ابعاد  3×10×10 (به‌عنوان نمونه‌های آزمایشگاهی) جدا گردید. پس از شستشوی قطعات با استون، یکی از سطوح آنها به‌عنوان سطح هدف برای ایجاد بافت لیزری انتخاب گردید. سطوح انتخاب شده به ترتیب با استفاده از کاغذ سنباده شماره 100 تا 2500 ساییده شدند تا سطح صیقلی و آینه‌ای با زبری کمتر از 10 میکرومتر به دست آید [2]. بعد ازآن همه‌ی نمونه‌ها برای تمیزکاری در حمام اولتراسونیک شرکت Elma مدل Elmasonic P قرار داده شدند و به ترتیب برای 15 دقیقه با استون، 20 دقیقه با اتانل و 20 دقیقه با آب مقطر شسته شدند. یکی از آنها به‌عنوان نمونه شاهد (1S) نام‌گذاری گردید (نمونه‌ای که هیچ‌گونه بافت سطحی لیزری روی آن ایجاد نشد) و بقیه نمونه‌ها برای اجرای الگوهای بافت سطحی لیزری روی آنها بکارگیری شدند.

 

2-2- فرآیند تابش لیزر و ایجاد بافت سطحی

فرآیند تابش لیزر و ایجاد بافت سطحی روی نمونه‌ها با استفاده از یک دستگاه لیزر نئودیمیوم- یاگ23 پالسی ساخت شرکت دانش‌بنیان نوین لیزر صبا واقع در پارک علم و فن‌آوری دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شد. مشخصات فیزیکی مناسب این سیستم لیزر برای ایجاد خطوط کندگی با پهنای 50 میکرومتر، عمق 12 میکرومتر و فاصله دو قعر بین 100 تا 200 میکرومتر (مناسب برای اهداف کشت سلولی [15-17])، طول‌موج nm 1064، فرکانس KHz 15، جریان A38، توان W 12، پهنای پالس ns 170، تکرار review 150 و سرعت روبش سطحی mm/s 200 می‌باشد [14]. ابتدا الگوی بافت هر نمونه در سیستم کنترل لیزر شبیه‌سازی شد و سپس روی نمونه‌ها اجرا گردید. به این ترتیب که روی نمونه‌ی دوم (2S)، تعداد صد شیار موازی با پهنای 50 میکرومتر و فاصله دو قعر 100 میکرومتر ایجاد شد. روی سایر نمونه‌ها، ابتدا پنجاه شیار موازی با پهنای 50 میکرومتر و فاصله دو قعر 200 میکرومتر ایجاد گردید و سپس تعداد پنجاه شیار متقاطع با شیارهای اولیه (با همان پهنای 50 میکرومتر و فاصله دو قعر 200 میکرومتر) به ترتیب با زاویه 15 درجه (3S)، 30 درجه (4S)، 45 درجه (5S)، 60 درجه (6S)، 75 درجه (7S) و 90 درجه (8S) ایجاد گردید. لذا همه نمونه‌ها، دارای 100 میکرو شیار24 لیزری با پهنای 50 میکرومتر شدند و تفاوت آنها در زاویه بین میکروشیارها (از 0 تا 90 درجه)، طول خطوط، تعداد گوشه‌ها و ابعاد ستون‌های سطحی (ارتفاع، جدایی و پهنای ستون‌ها) است. در جدول (1) مشخصات نمونه‌ها به همراه الگوی میکروشیارها به تفکیک آورده شده است. پس از اتمام فرآیند تابش لیزر، مشابه قبل همگی نمونه‌ها در حمام اولتراسونیک به ترتیب با استون 15 دقیقه، اتانل 20 دقیقه و آب مقطر 20 دقیقه شسته شدند.

 

 

 

 

2-3- مشاهده و مقایسه بافت سطحی نمونه­ها

 به‌منظور مشاهده و مقایسه بافت سطحی نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ متالورژی شرکت صا ایران مدل IMM-420 و بکارگیری یک دوربین دیجیتال، تصاویری از سطح نمونه‌ها به همراه نمونه شاهد در بزرگنمایی 20 برابر گرفته شد. با استفاده از نرم‌افزار فوتوشاپ، نقّاله‌ای با دقت 1 درجه روی این تصاویر قرار گرفته و بدین ترتیب برای تمام نمونه‌ها زاویه میکروشیارهای سطحی اندازه‌گیری شد.

 

2-4- ریخت‌شناسی، سیما سنجی و اندازه­گیری ابعاد هندسی بافت سطحی نمونه­ها

 با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی25 نشر میدانی شرکت فیلیپس هلند مدل 30- XL تصاویری از سطح نمونه‌ها در بزرگنمایی‌های مختلف برای ریخت‌شناسی، سیماسنجی و همچنین اندازه‌گیری ابعاد میکروشیارها گرفته شد.

 

2-5- اندازه­گیری زاویه­ی تماس

 فرآیند اندازه‌گیری زاویه تماس برای قطره‌های آب با حجم 25(رژیم متوسط) و حجم1(رژیم کوچک) با استفاده از دو روش انجام شد: 1) روش قطره‌ی ساکن (لاو و ژائو26، 2016) [3] و با استفاده از ضبط و آنالیز دستی تصویر قطره و 2) محاسبه از روش معادلات اکسترند و مون با استفاده از قطر و ارتفاع قطره.

 

2-5-1- اندازه­گیری زاویه تماس قطره­های آب با حجم 25(رژیم متوسط)  

با کمک نمونه ‌بردار27  25، قطره‌هایی از آب را با دقت روی لبه مشخصی از تک‌تک نمونه‌ها گذاشته و حدوداً پس از 10 ثانیه با کمک یک دوربین دیجیتال عکس‌برداری Nikon مدل D810 تصاویری از نمای جلویی قطره روی سطح نمونه گرفته و ضبط شدند. تمام مراحل تصویر گیری در شرایط پایدار دمای 25 و فشار mmHg560 در محیط هوا انجام گردید. پس از انتخاب بهترین تصویر برای هر نمونه، روی تصاویر بردارهای کشش مرز مشترک جامد- مایع، جامد- بخار و مایع- بخار (خط مماس بر سطح قطره) رسم شدند (شکل (1)). سپس با استفاده از نرم‌افزار فوتوشاپ، نقّاله‌ای با دقت 1 درجه روی این تصاویر قرار گرفته و بدین‌وسیله زوایای تماس مشخص و اندازه‌گیری شدند. برای افزایش دقت، پس از هر بار اندازه‌گیری تمامی نمونه‌ها مشابه قبل مجدداً شسته می‌شدند. پس از خشک کردن نمونه‌ها با کمک خشک‌کن، فرآیند تصویرگیری برای چهار بار تکرار شد. با اندازه‌گیری مقادیر h (ارتفاع) و a (شعاع) قطره‌ها از تصویرشان با کمک خط کش میلی‌متری در هر چهار بار تکرار و جایگذاری آنها به انضمام مقادیر مشخص γ و ρ برای آب و شتاب ثقل g محیط در معادله (4)، زاویه تماس تک‌تک نمونه‌ها برای قطره‌ی  25 از روش معادلات اکسترند و مون نیز محاسبه گردید.

 

2-5-2- اندازه­گیری زاویه تماس قطره­های آب با حجم 1(رژیم کوچک)

با کمک سرنگ مویرگی، قطره‌های خیلی کوچکی از آب با حجم 1 با دقت روی لبه انتخابی تک‌تک نمونه‌ها گذاشته شد. دیگر مراحل اندازه‌گیری زاویه تماس قطره‌ها در این رژیم مشابه رژیم متوسط انجام گردید به‌جز اینکه به دلیل کوچک بودن قطرات، برای تصویرگیری مناسب از دوربین دیجیتال عکس‌برداری Nikon مدل D810 با لنز ماکرو استفاده شد و اندازه‌گیری‌ها برای سه بار تکرار گردید. با اندازه‌گیری مقادیر h (ارتفاع) و a (شعاع) قطره‌ها از تصویرشان در هر سه بار تکرار و جایگذاری آنها در معادله (2) زاویه تماس این قطره نیز از روش معادلات اکسترند و مون برای تک‌تک نمونه‌ها محاسبه گردید.

 

 

 

 

 

3- نتایج و بحث

3-1- سیما سنجی و ریخت‌شناسی سطح

با استفاده از میکروسکوپ متالورژی و نصب دوربین دیجیتال در پشت چشمی آن، تصاویری از سطح تک‌تک نمونه‌ها برای مشاهده و اندازه‌گیری زاویه‌ی میکروشیارها گرفته شد. شکل (2) این تصاویر را که در بزرگنمایی 20 برابر گرفته شده است نشان می‌دهد. با استفاده از نرم‌افزار فوتوشاپ، نقّاله‌ای با دقت 1 درجه روی این تصاویر قرار گرفته و بدین ترتیب زاویه میکروشیارها اندازه‌گیری شد. شکل (2) نشان می‌دهد که الگوی میکروشیارها ی تک‌تک نمونه‌ها دقیقاً منطبق بر نام‌گذاری جدول (1) است. برای ریخت‌شناسی میکروشیارها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تصاویری از سطح آنها در بزرگنمایی 100 برابر گرفته شد که شکل (3) این تصاویر را به تفکیک نمونه‌ها نشان می‌دهد. همچنین برای اندازه‌گیری پهنا، ارتفاع و جدایی میکروشیارها نیز تصاویری در بزرگنمایی 430، 435 و 650 برابر گرفته شد. شکل (4) این تصاویر را نشان می‌دهد. در شکل‌های (2) و (3) مشاهده می‌شود که میکروشیارها کاملاً پیوسته، منظم و یکنواخت می‌باشند. همچنین در شکل (4) دیده می‌شود که پهنای میکروشیار µm50 و ارتفاع آن حدود µm 12 است که مناسب برای ترویج جذب، چسبیدن، مهاجرت، تکثیر و تمایز سلول‌های استخوانی است.

 

3-2- اندازه­گیری زاویه­ی تماس

ازآنجایی‌که قطره‌های آب مورد استفاده برای اندازه‌گیری زاویه تماس تقریباً دارای حجم  1 در رژیم کوچک و  25 در رژیم متوسط می‌باشند لذا با فرض کروی بودن، قطر تقریبی آنها به ترتیب حدود mm 56/1 و mm 60/4 خواهد شد که در هر دو مورد بسیار بزرگ‌تر از سه برابر ابعاد بافت سطحی نمونه‌ها می‌باشد و از این لحاظ طبق نتایج پژوهش‌های صورت گرفته اندازه این بافت­ها تأثیر کمی بر مشخصات نوری قطره گذاشته و داده‌های به‌دست‌آمده برای زاویه تماس هنوز مفید و قابل‌استفاده می‌باشند [3-5].

 

 

شکل (2): تصاویر سطح نمونه‌ها که با دوربین دیجیتال از پشت چشمی میکروسکوپ متالورژی در بزرگنمایی 20 برابر گرفته شده است: الف) 1S نمونه شاهد (صیقلی و بدون بافت) و به ترتیب میکروشیارها با زاویه، ب) 2S(صفر درجه یا موازی)، پ) 3S(15 درجه)، ت) 4S(30 درجه)، ج) 5S(45 درجه)، چ) 6S(60 درجه)، ح) 7S(75 درجه) و خ) 8S(90 درجه یا متعامد).

 

 

شکل (3): نمایی نزدیک از سطح نمونه‌های دارای بافت لیزری که توسط دستگاه SEM در بزرگنمایی 100 برابر برای ریخت‌شناسی میکروشیارها گرفته شده است. تصاویر به ترتیب مربوط به میکروشیارها با زاویه: الف) صفر درجه یا موازی (2S)، ب) 15 درجه (3S)، پ) 30 درجه (4S)، ت) 45 درجه (5S)، ج) 60 درجه (6S)، چ، 75 درجه (7S) و ح، 90 درجه (8S) می­باشند.

 

جدول (1): مشخصات نمونه‌ها به همراه الگوی میکروشیارها، مقادیر چهار بار اندازه‌گیری شده‌ی زاویه تماس از روش ضبط و آنالیز تصویر قطره (روش 1) به همراه مقادیر متناظر محاسبه شده‌ی زاویه تماس با استفاده از معادله (4) (روش 2) و مقدار میانگین داده‌های هر دو روش برای قطره‌ی آب با حجم25(رژیم متوسط).

(8)

 

 

 

شکل (4): تصاویر SEM از سطح نمونه‌ها که اندازه پهنا، ارتفاع و جدایی میکروشیارها را نشان می‌دهد.

 

3-2-1- اندازه­گیری زاویه تماس قطره­ها با حجم 25 (رژیم متوسط)

شکل (5) تصاویر انتخابی از نیمرخ قطرات آب با حجم 25 روی سطح نمونه‌ها را نشان می‌دهد که با رسم بردار کشش‌های مرز مشترک لایه‌ها، زاویه θ مشخص و با نرم‌افزار فوتوشاپ با دقت یک درجه اندازه‌گیری شده است. این روش باهدف افزایش دقت اندازه‌گیری، برای هر نمونه، چهار بار تکرار گردید. همچنین با استفاده از تصویر قطره و مقیاس بندی مناسب آن، مقادیر h و a اندازه‌گیری شدند. با جایگذاری این مقادیر به همراه مقدار مشخص انرژی آزاد سطح آب در دمای  23(مقدار mj/m2 75/72 بر اساس مرجع [18])، مقدار چگالی آب ( 998) و شتاب ثقل محیط ( 81/9) (بر اساس مرجع [9]) در معادله (4)، زاویه تماس از روش اکسترند و مون برای تک‌تک نمونه‌ها محاسبه گردید. در ستون‌های چهارم تا هشتم جدول (1) مقادیر چهار بار اندازه‌گیری شده‌ی زاویه تماس از روش ضبط و آنالیز تصویر قطره به همراه مقدار میانگین آنها و در ستون‌های نهم تا سیزدهم، مقدار محاسبه شده‌ی زاویه تماس قطره‌ها از روی ابعادشان با استفاده از معادله (4) به همراه مقدار میانگین آنها، به تفکیک نمونه‌ها برای قطره  25 آورده شده است. بررسی داده‌های جدول (1) نشان می‌دهد که مقدار زاویه تماس نمونه شاهد (اندازه‌گیری شده از روش آنالیز تصویر قطره) با مقدار بیان شده در اکثر مراجع (تقریباً 65 درجه) مطابقت خوبی دارد. در عین حال دیده می‌شود که مقدار میانگین زاویه تماس اندازه‌گیری شده (از هر دو روش) برای نمونه‌های مختلف، متغیر است یعنی می‌توان گفت که زاویه تماس اندازه‌گیری شده برای قطره 25 به زاویه میکروشیارها وابسته است. البته حداکثر میزان تغییرات در روش اول حدود 18 درصد است که این میزان برای روش دوم حدود 30 درصد می‌باشد. مشاهده می­شود که کمترین زاویه تماس (بهترین خاصیت ترشوندگی) در زاویه­های 30 و 75 درجه میکروشیارها رخ می‌دهد. چون با تغییر زاویه خطوط متقاطع نسبت قطر قطره به‌اندازه‌ی پهنا، ارتفاع و جدایی ستون‌های سطحی تغییر می‌کند لذا زاویه تماس اندازه‌گیری شده نوعی وابستگی به زاویه خطوط کندگی سطحی در الگوهای گوناگون نشان داده است و این با نتایج پژوهش گوکبرک ازچلیک و همکارانش مبنی بر اینکه در رفتار درشت مقیاس اگر نسبت قطر قطره به‌اندازه ناهمگنی سطح نمونه (ابعاد بافت سطحی) ثابت باشد، در این صورت تغییرات زاویه تماس مستقل از اندازه قطره و الگوی سطحی می‌باشد، مطابقت دارد [13].

 

3-2-2- اندازه­گیری زاویه تماس قطره­ها با حجم 1 (رژیم کوچک)

شکل (6) تصاویر انتخابی از نیمرخ قطرات آب با حجم  1 روی سطح نمونه‌ها را نشان می‌دهد که با رسم بردار کشش‌های مرز مشترک لایه‌ها، زاویه θ مشخص و با نرم‌افزار فوتوشاپ با دقت یک درجه اندازه‌گیری شده است. این روش باهدف افزایش دقت اندازه‌گیری، برای هر نمونه، سه بار تکرار گردید. در این حجم نیز با استفاده از تصویر قطره و مقیاس بندی مناسب آن، مقادیر h و a اندازه‌گیری شدند. با جایگذاری این اعداد در معادله (2) زاویه تماس از روش اکسترند و مون نیز محاسبه گردید. در ستون‌های دوم تا پنجم جدول (2) مقادیر سه بار اندازه‌گیری شده‌ی زاویه تماس از روش ضبط و آنالیز تصویر قطره به همراه مقدار میانگین آنها و در ستون‌های ششم تا نهم آن، مقدار محاسبه شده‌ی زاویه تماس قطره‌ها از روی ابعادشان با استفاده از معادله (2) به همراه مقدار میانگین آنها، به تفکیک نمونه‌ها برای قطره 1 آورده شده است. مرور داده‌های جدول (2) در روش اول نشان‌دهنده‌ی تساوی تمامی مقادیر اندازه‌گیری شده‌ی زاویه تماس برای قطره‌های آب با حجم  1(رژیم کوچک)(با خطای کمتر از 8/2 درصد) می‌باشد. این تساوی بیانگر عدم وابستگی زاویه تماس به زاویه میکروشیارها در این حجم است که رفتاری متفاوت با رفتار زاویه تماس برای قطره‌های آب با حجم 25 می‌باشد. به عبارتی با این حجم قطره نمی­توان بهترین زاویه میکروشیارها را از لحاظ زاویه تماس تعیین نمود. مقادیر میانگین داده‌های روش دوم نیز با تقریب خوبی (خطای کمتر از 17 درصد) با مقادیر میانگین روش اول نزدیک هستند که می‌تواند تأییدی مجدد بر عدم وابستگی گفته شده باشد.

 

 

شکل (5): تصاویری از نیمرخ قطرات آب با حجم 25(رژیم متوسط) روی سطح نمونه­ها که با نرم‌افزار فوتوشاپ، زاویه تماس اندازه­گیری شد.

 

 

شکل (6): تصاویری از نیمرخ قطرات آب با حجم1(رژیم کو چک) روی سطح نمونه­ها که با نرم‌افزار فوتوشاپ، زاویه تماس اندازه­گیری شد.

 

جدول (2): مقادیر سه بار اندازه‌گیری شده‌ی زاویه تماس از روش ضبط و آنالیز تصویر قطره (روش 1) به همراه مقادیر متناظر محاسبه شده‌ی زاویه تماس با استفاده از معادله (2) (روش 2) به‌علاوه مقدار میانگین داده‌های هر دو روش برای قطره‌ی آب با حجم  1 (رژیم کوچک).

نمونه	1S شاهد	2S خطوط موازی	3S	4S	5S	6S	7S	8S
زاویه میکروشیارها (درجه)	-	0	15	30	45	60	75	90
الگوی میکروشیارها	بدون شیار
روش 1	58	46	56	50	55	48	47	50
روش 1	62	64	59	60	55	50	48	63
روش 1	63	64	62	57	57	64	60	51
روش 1	70	59	58	50	57	63	58	64
روش 1	63	58	59	54	56	56	53	57
روش 2	55	64	53	42	45	37	56	37
روش 2	39	35	71	52	57	57	48	53
روش 2	50	62	60	39	48	44	33	38
روش 2	48	35	36	36	54	43	43	44
روش 2	48	49	55	42	51	45	45	43

 

3-3- تأثیر سایر ویژگی‌های سطح روی زاویه تماس

شکل (7) نمایی بزرگ شده از ستون‌های بافت سطحی را نشان می‌دهد که در آن کمیت‌های a، b و h مشخص شده‌اند (این ساختار شبیه بافت سطحی نمونه 8S در این پژوهش است). با استفاده از تصاویر شکل (5) و (6) کمیت‌های ارتفاع (h)، پهنا (a) و جدایی (b) ستون‌های بافت سطحی نمونه‌ها اندازه‌گیری شدند (جدول (3)). به‌منظور تجزیه، تحلیل و تعیین مدل ترمودینامیکی نمونه‌ها در دو حجم قطره  25 و  1، با استفاده از معادلات (6) و (8) کمیات r و f برای نمونه‌ها محاسبه گردید. سپس با جایگذاری این کمیات و مقادیر میانگین زاویه تماس (مندرج در جداول (1) و (2)) در معادلات (5) و (7) کسینوس زوایای ونزل و کسی برای نمونه‌ها در هر دو حجم قطره تعیین گردید و این مقادیر با کسینوس میانگین زوایای تماس اندازه‌گیری شده هر نمونه مقایسه و خطاگیری شدند.

 

 

شکل (7): نمایی بزرگ شده از ستون‌های بافت سطحی یکی از نمونه‌ها که در آن کمیت‌های پهنا (a)، جدایی (b) و ارتفاع ستون‌ها (h) مشخص شده‌اند.

 

3-3-1- بررسی مدل کلاسیکی ترشوندگی قطره 25 (رژیم متوسط)

به‌منظور تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی تأثیر الگوهای بافت سطحی روی ترشوندگی نمونه‌ها (تعیین مدل کلاسیکی ترشوندگی آنها)، با جایگذاری r و f نمونه‌ها به همراه کسینوس میانگین زاویه تماس نمونه شاهد اندازه‌گیری شده از روش 1 (زاویه تماس سطح صاف () در روش 1 که آن را  نامیده و طبق جدول (مقدار 63 درجه است) و کسینوس میانگین زاویه تماس نمونه شاهد اندازه‌گیری شده از روش 2 (زاویه تماس سطح صاف () در روش 2 که آن را  نامیده و طبق جدول (1) مقدار 48 درجه است) در معادله‌های (5) و (7) به ترتیب کسینوس‌های زاویه ونزل از هر دو روش (rcos =Cos(W)1  و  rcos =Cos(W)2) و کسینوس‌های زاویه کسی از هر دو روش ((f-1) + Cos(CB)1=fcos و (f-1) + Cos(CB)2=fcos) محاسبه گردیدند. همچنین با استفاده از مقادیر میانگین زاویه تماس سایر نمونه‌ها اندازه‌گیری شده از روش 1 (که آن را  می‌نامیم) و مقادیر میانگین زاویه تماس سایر نمونه‌ها اندازه‌گیری شده از روش 2 (که آن را  می‌نامیم) (همگی مندرج در جدول (1)) کسینوس این زوایا تعیین و درصد اختلاف آنها با کسینوس زوایای ونزل و کسی روش مربوطه محاسبه شد.

در جدول (3) این مقادیر برای قطره 25 آورده شده است.  از بررسی درصد اختلاف Cos (W)1  با Cos  و Cos (W)2 با Cos  (جدول (3)) مشاهده می‌شود که برای 9 مورد از نمونه‌ها این خطا مساوی و یا کمتر از 10 درصد و برای سایر نمونه‌ها نیز حداکثر 25 درصد است. درصورتی‌که درصد اختلاف Cos (CB)1  با Cos   و Cos (CB)2  با Cos  (جدول (3)) حداقل 100 و حداکثر تا 1989 درصد نیز می‌رسد. در شکل (8) نمودار خطی توابعCos(W)1 ،  Cos(W)2، Cos ، Cos،  Cos (CB)1 و Cos (CB)2 برای قطره  25 و بر اساس نمونه‌های مختلف ترسیم شده است.

شکل (8) نشان می‌دهد که برای قطره  25 رفتار توابع Cos  و Cos  یا Cos (W)1 و Cos (W)2 و یا Cos(CB)1 و  (CB)2 Cos بسیار مشابه و هماهنگ است. در عین حال مشاهده می‌شود که توابع Cos  و Cos  توسط توابع Cos (W)1 و Cos (W)2 احاطه شده و با تقریب خوبی مقادیرشان نزدیک می‌باشد. درصورتی‌که مقادیر (CB)1 Cos و Cos(CB)2  از مقادیر Cos  و Cos  دارای فاصله قابل‌توجه و معنی‌داری می‌باشند. نتیجه بررسی مقادیر جدول (3) و نمودار شکل (8) این است که برای قطره 25 با تقریب نسبتاً خوبی می‌توان گفت که مدل کلاسیکی ترشوندگی نمونه‌ها، مدل ونزل می‌باشد یعنی قطره مایع همه جای سطح زبر زیرین خود را تر می‌کند.

 

3-3-2- بررسی مدل کلاسیکی ترشوندگی قطره 1(رژیم کوچک)

برای قطره آب با حجم 1 نیز مشابه قطره  25، با جایگذاری مقادیر r و f  نمونه‌ها به همراه کسینوس زوایای  =     =  (جدول (2)) در معادله‌های (5) و (7) به ترتیب کسینوس زوایای ونزل و کسی از هر دو روش محاسبه گردیدند. همچنین با استفاده از مقادیر میانگین زاویه تماس سایر نمونه‌ها اندازه‌گیری شده از روش‌های 1 و 2 (که آنها را به ترتیب  و  نامیدیم) (جدول (2)) کسینوس این زوایا تعیین و درصد اختلاف آنها با کسینوس زوایای ونزل و کسی روش مربوطه محاسبه شد. در جدول (4) این مقادیر برای قطره 1 آورده شده است.   از بررسی درصد اختلاف Cos (W)1  با Cos  و Cos (W)2  با Cos  (جدول (4)) مشاهده می‌شود که برای 6 مورد از نمونه‌ها این خطا مساوی یا کمتر از 11 درصد و برای سایر نمونه‌ها نیز حداکثر 21 درصد است. درصورتی‌که درصد اختلاف Cos (CB)1 با Cos  و Cos (CB)2 با Cos  (جدول (4)) حداقل 133 و حداکثر تا 1380 درصد نیز می‌رسد.

در شکل (9) نمودار خطی توابعCos(W)1، Cos(W)2،  Cos ، Cos ،  Cos (CB)1و Cos (CB)2 برای قطره 1 و بر اساس نمونه‌های مختلف ترسیم شده است. شکل (9) نشان می‌دهد که برای قطره  1 رفتار توابع Cos (W)1 و Cos (W)2 و همچنین Cos (CB)1 وCos (CB)2 بسیار مشابه و هماهنگ است. در عین حال مشاهده می‌شود که مقادیر Cos  و Cos  با تقریب نسبتاً خوبی با مقادیر Cos (W)1 و Cos (W)2 نزدیک می‌باشد. درصورتی‌که مقادیر Cos (CB)1 و Cos (CB)2 از مقادیر Cos  و Cos  دارای فاصله قابل‌توجه و معنی‌داری می­باشند. نتیجه بررسی مقادیر جدول (4) و نمودار شکل (9) این است که برای قطره 1 نیز با تقریب نسبتاً خوبی می‌توان گفت مدل کلاسیکی ترشوندگی نمونه‌ها، مدل ونزل می‌باشد یعنی قطره مایع همه جای سطح زبر زیرین خود را تر می‌کند.

 

 

شکل (8): نمودار خطی تغییرات توابع Cos ، Cos ، Cos (W)1، Cos (W)2، Cos (CB)1 و Cos (CB)2 برای قطره  25 بر اساس نمونه‌های مختلف.

 

 

شکل (9): نمودار خطی تغییرات توابع Cos ، Cos ، Cos (W)1، Cos (W)2، Cos (CB)1 و Cos (CB)2 برای قطره  1 بر اساس نمونه‌های مختلف.

 

جدول (3): کمیات اندازه‌گیری و محاسبه شده‌ی قطره25 برای بررسی مدل‌های ونزل و کسی.

8S	7S	6S	5S	4S	3S	2S	1S	نمونه
45	44	44	44	45	44	44	45	روش 1
45	45	45	45	49	49	45	45	روش 1
45	45	45	45	45	45	45	45	روش 1
45	45	45	45	46	46	45	45	روش 1
50	60	43	46	60	64	46	45	روش 2
55	54	39	53	38	33	41	54	روش 2
42	42	47	46	55	32	51	40	روش 2
49	52	43	48	51	43	46	46	روش 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول (4): کمیات اندازه‌گیری و محاسبه شده‌ی قطره  1 برای بررسی مدل‌های ونزل و کسی.

8S	7S	6S	5S	4S	3S	2S	1S	نمونه
125	150	150	150	150	145	6/66	-	a(μm)
75	50	50	50	50	55	3/33	-	b(μm)
2/12	4/12	3/12	3/12	4/12	1/13	1/13	-	h(μm)
12/1	12/1	12/1	12/1	12/1	13/1	26/1	-	r
62/0	75/0	75/0	75/0	75/0	72/0	66/0	-	f
509/0	510/0	510/0	510/0	510/0	513/0	573/0	-	cos(W)1
751/0	752/0	751/0	751/0	752/0	757/0	844/0	-	Cos(W)2
099/0-	09/0	09/0	09/0	09/0	047/0	04/0-	-	cos (CB)1
035/0	252/0	252/0	252/0	252/0	202/0	101/0	-	cos (CB)2
545/0	602/0	559/0	559/0	588/0	515/0	530/0	-	cos
731/0	707/0	701/0	629/0	737/0	566/0	656/0	-	cos
7	18	10	10	15	1	7	-	درصد اختلاف  cos W1با  cos
3	6	7	16	2	25	22	-	درصد اختلاف cos W2با  cos
650	569	521	521	553	100	1425	-	درصد اختلاف cos CB1 با cos
1989	181	178	150	192	180	549	-	درصد اختلاف cos CB2با cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4- نتيجه­گيري

در این پژوهش برای قطرات آب با حجم  1(رژیم کوچک) سه بار و برای حجم  25(رژیم متوسط) چهار بار زاویه تماس با دو روش 1) ضبط و آنالیز تصویر قطره و 2) بکارگیری معادلات اکسترند و مون برای سطوحی از جنس آلیاژ Ti6Al4V که توسط لیزر پالسی Nd:YAG با طول‌موج nm 1064و طول پالس ns 170 بافت سطحی لیزری به‌صورت خطوط متقاطع با زاویه‌های 0، 15، 30، 45، 60، 75 و90 درجه روی آن ایجاد شده بود، اندازه‌گیری شد. نتیجه‌گیری شد که زاویه‌ی تماس اندازه‌گیری شده از هر دو روش برای قطرات آب با حجم  1(رژیم کوچک)، تقریباً ثابت و مستقل از زاویه خطوط متقاطع بافت سطحی می‌باشد. ولی زاویه تماس قطرات آب با حجم  25(رژیم متوسط)، متغیر بوده و به زاویه‌ی خطوط متقاطع بافت سطحی وابسته است. با اندازه‌گیری سه کمیت a(پهنا)، b(جدایی) و h ارتفاع ستون­های بافت سطحی نمونه‌ها، محاسبه دو فاکتور r و f، جایگذاری آنها در معادلات ونزل و کسی و رسم نمودارهای مربوطه بر اساس نمونه‌های این تحقیق، دیده شد که با تقریب نسبتاً خوبی مدل کلاسیکی ترشوندگی نمونه‌ها، برای هر دو قطره  25 و  1، مدل ونزل می‌باشد یعنی قطره مایع همه جای سطح زبر زیرین خود را تر می‌کند. در این تحقیق نمونه‌های مکعب مستطیل Ti6Al4Vبه‌جای کاشتنی واقعی، شرایط آزمایشگاهی بیرون بدن به‌جای درون آن و میکروشیارها ی متقاطع با اختلاف زاویه‌ای 15 درجه در بازه0 تا 90 درجه مورد بررسی قرار گرفت که با توجه به نتایج به‌دست‌آمده می‌توان مبنای بررسی‌های آتی را در حوزه‌های بکارگیری کاشتنی‌های واقعی، شرایط درون بدن، میکروشیارها ی متقاطع با اختلاف زاویه‌ای کمتر از 15 درجه، زیست فعالی و رفتار سلولی بافت پیشنهادی قرار داد.

 

5- مراجع

[1] Q. Zheng, L. Mao, Y. Shi, W. Fu & Y. Hu, "Biocompatibility of Ti6Al4V Titanium Alloy Implants with Laser Microgrooved Surfaces", Materials Thechnology, vol. 55, pp. 1-10, 2020.

[2] Y. Yan, E. Chibowski & A. Szczes, "Surface Properties of Ti6Al4V Alloy part I: Surface Roughness and Apparent Surface Free Energy", Materials Science and Engineering C, vol. 70, pp. 207-215, 2017.

 

[3] K. Y. Law & H. Zhao, "Surface Wetting: Characterization, Contact Angle, and Fundamentals", Springer, 2016.

 

 

[4] A. Marmur & E. Bittoun, "When Wenzel and Cassie are right: reconciling local and global considerations", Langmuir, vol. 25, pp. 1277-1281, 2009.

 

[5] A. Marmur, "Soft contact: measurement and interpretation of contact angles", Soft Matter, vol. 2, pp. 12-17, 2006.

 

[6] A. Amirfazli, D. Y. Kwok, J. Gaydos & A. W. Neumann, "Line tension measurements through drop size dependence of contact angle", Colloid Interface Science, vol. 205, pp. 1-11, 1998.

 

[7] A. Marmur, "Line tension and the intrinsic contact angle in solid–liquid–fluid systems". Colloid Interface Science, vol. 186, pp. 462-466, 1997.

 

[8] S. Kranias, "Effect of drop volume on static contact angles", Technical note 310e: Kruss GmbH, France, 2004.

 

[9] C. W. Extrand & S. I. Moon, "When sessile drop Are No longer small: transitions from spherical to fully flattened", Langmuir, vol. 25, pp. 11815-11822, 2010.

 

[10] C. E. Cansoy, "The effect of drop size on contract angle measurements of superhydrophobic surfaces", RSC Adv, vol. 4, pp. 1197-1203, 2014.

 

[11] T. Zhao & L. Jiang, "Contact angle measurement of natural materials", Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol. 161, pp. 324-330, 2018.

 

[12] J. W. Drelich, "Contact angles: From past mistakes to new developments through liquid-solid adhesion measurements", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 267, pp. 1-14, 2019.

 

[13] H. Gokberk Ozcelik, E. Satiroglu, & M. Barisik, "Size Dependent Influence of Contact Line Pinning on Wetting of Nano-textured/patterned Silica Surfaces", Nanoscale, vol. 41, pp. 1-30, 2020.

 

[14] Gh. R. Dabbagh, S. K. Sadrnezhaad, R. Shoja Razavi, A. M. Nourbakhsh & N. Hassanzadeh Nemati, "Laser textured novel patterns on Ti6Al4V alloy for dental implants surface improvement", Laser Applications, vol. 33, pp. 1-17, 2021.

 

[15] K. T. Voisey, C. A. Scotchford, L. Martin & H. S. Gill, "Effect of Q-Switched Laser surface Texturing of Titanium on Osteoblast Cell Response", Physics Procedia, vol. 56, pp. 1126-1135, 2014.

 

[16] A. Y. Fasasi, S. Mwenifumbo, N. Rahbar, J. Chen, M. Li, A. C. Beye, C. B. Arnold & W. O. Soboyejo, "Nano – Second UV Laser Processed Micro – Grooves on Ti6Al4V for Biomedical Applications", Materials Science and Engineering C, vol. 29, pp. 5-13, 2009.

 

[17] Ch. Wang, H. Hu, Zh. Li, Y. Shen, Y. Xu, G. Zhang, X. Zeng, J. Deng, Sh. Zhao, T. Ren & Y. Zhang, "Enhanced Osseointegration of Titanium Alloy Implants with Laser Microgrooved Surface and Graphene Oxide Coating", Applied Materials & Interfaces, vol. 11, pp. 39470-39483, 2019.

 

[18] D. Li & A. W. Neumann, "Equation of State for Interfacial Tensions of Solid-Liquid Systems", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 39, pp. 299-345, 1992.

 

 [19] R. N. Wenzel, “Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water”, Industrial and Engineering Chemistry, vol. 28, pp.988-994,1936.

 

[20] - A.B.D. Cassie, S.Baxter, “ Wettability of porous surfaces”, Transaction of the faraday society, vol. 40, pp. 546-551, 1944. 

 

[21] W. Li & A. Amirfazli, "A thermodynamic approach for determining the contact angle hysteresis for superhydrophobic surfaces", Colloid Interface Science, vol. 292, pp. 195-201, 2005.

 

[22] W. Li & A. Amirfazli, "Superhydrophobic Surfaces: Adhesive Strongly to Water", Advanced Materials, vol. 19, pp. 3421-3422, 2007.

 

[23] W. Li & A. Amirfazli, "Microtextured superhydrophobic surfaces: A thermodynamic analysis", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 132, pp. 51-68, 2007.

 

6- پی­نوشت

[1] Implant

[2] Wettability

[3] Topography

[4] Kranias

[5] Perfluoroalkoxy Copolymer

[6] Extrand & Moon

[7] Cansoy

[8] Zhao & Jiang

[9] Drelich

[10] Gokberk Ozcelik et al

[11] Wenzel's Model

[12] Noncomposite State

[13] Cassie – Baxter model

[14] Nonwettability

[15] Composite State

[16] Surface Roughness Factor

[17] Wenzel's Roughness Ratio

[18] Solid-Area Fraction

[19] Cassie's Solid Fraction

[20] Li & Amirfazli

[21] Sessile Drop Contact Angle and IFT Measurement

[22] Neodymium YAG

[23] Microgroove

[24] Scanning Electron Microscope

[25] Morphology

[26] Law & Zhao

[27] Sampler

 

 

 

 

 

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Gholam Reza Dabbagh, Seyed Khadeb Al Islam Sadrnezhaad, Reza Shoja Razavi, Amir Abbas Nourbakhsh, Nahid Hassanzadeh Nemati, Effect of Geometry of Laser Surface Texture and Droplet Volume on Contact Angle with Ti6Al4V Substrate, New Process in Material Engineering, 2023, 17(3), 37-50.

 

 

 

---