Inżynieria powierzchni

Właściwości powierzchni danego materiału są na tyle różne od tych, którymi charakteryzuje się jego wnętrze, że już niemal 100 lat temu powstała osobna dziedzina nauki, znana jako fizykochemia powierzchni (ang. surface science). Jest to interdyscyplinarny dział, łączący metody badawcze oraz teorie fizyki ciała stałego i chemii fizycznej. Badania powierzchni to domena naukowców, natomiast po jakimś czasie prawie każdą dziedziną nauki zaczynają się interesować inżynierowie. Jest to o tyle dobre, że mogą już oni korzystać z osiągnięć uczonych bez poszukiwania rozwiązań na ślepo.

Ceramika i drewno

Obróbka powierzchni jest znana od tysięcy lat. Ceramika, czyli wypalone gliniane przedmioty, była bardzo istotnym elementem pozwalającym na rozwój cywilizacji. Pierwsze wyroby ceramiczne pochodzą sprzed 15 tys. lat. Służyły np. jako naczynia, ale ich powierzchnia miała istotną wadę – sporą porowatość. Przełomem technologicznym stało się wynalezienie ok. 5 tys. lat temu szkliwienia, czyli powlekania powierzchni ceramicznej materiałem wykazującym gładkość, co likwiduje (a właściwie przykrywa) pory. Szkliwione przedmioty pierwotnie miały charakter przede wszystkim użytkowy. Ponieważ okazało się, że można je bogato zdobić, dość szybko zaczęto także wytwarzać szkliwioną ceramikę ozdobną.

Drewno także często szlifowano, aby nadać mu miłą w dotyku gładkość. Jednak nawet bardzo dobrze wygładzona drewniana powierzchnia jest nasiąkliwa. W przypadku elementów używanych we wnętrzach nie ma to aż tak dużego znaczenia, ale w wielu innych sytuacjach staje się to kluczową kwestią, np. w przypadku narażonego na opady atmosferyczne domu czy kadłuba łodzi, który ma kontakt z wodą przez wiele dni, a nawet miesięcy. Samo oszlifowanie powierzchni pomaga tylko trochę, ale potem trzeba pomyśleć o tym, co zrobić, żeby odpychała ona wodę. Uzyskuje się to najczęściej, malując obiekty farbą o właściwościach hydrofobowych. Można też takie drewno zaimpregnować, czyli nasycić odpowiednimi środkami chemicznymi, np. żywicą czy rozpuszczonym woskiem. Jeśli impregnację wykonamy metodą próżniowo-ciśnieniową (tzw. impregnacja wgłębna), taki materiał pozostanie zabezpieczony nawet przez 20 lat. Proces ten przeprowadza się w szczelnym autoklawie. Po umieszczeniu w nim drewna odsysa się z wnętrza powietrze, co powoduje jego usunięcie także z przestrzeni międzykomórkowej. W kolejnym etapie autoklaw zostaje napełniony impregnatem, a całość poddana zewnętrznemu ciśnieniu, dzięki czemu roztwór impregnujący ulega wtłoczeniu w wolne przestrzenie. Na końcu podłącza się ponownie próżnię, aby odessać nadmiar impregnatu. Opisana metoda (jedna z kilku) nosi nazwę impregnacji Bethella albo pełnokomorowej.

Metale

Powierzchnia metalu ma też niezwykłe właściwości. Zazwyczaj jest błyszcząca (o wyjątkach za chwilę), co wiąże się, mówiąc skrótowo, z obecnością swobodnie związanych elektronów na powierzchni (tzw. gaz elektronowy). Aby uzyskać jak najlepszy połysk, powierzchnia musi być dokładnie wypolerowana, co niełatwo osiągnąć, aczkolwiek już bardzo dawno temu z płaskich kawałków miedzi robiono tą techniką proste lustra. Jeśli nie mamy do czynienia z metalem szlachetnym, powierzchnia będzie stopniowo tracić blask. Wiedzą o tym doskonale choćby marynarze czy żeglarze, którzy muszą regularnie czyścić i polerować wszelkie elementy wykonane np. z mosiądzu. Metal wystawiony na działanie środowiska matowieje, pokrywając się coraz grubszą powłoką złożoną z mieszaniny wielu związków. Zazwyczaj powoduje to pogorszenie wyglądu, ale w niektórych przypadkach takie powierzchnie zaczynają wyglądać ładnie. Wystarczy popatrzeć na dachy czy kopuły zrobione z blachy miedzianej (albo też obiekty wykonane z niektórych stopów miedzi, przede wszystkim spiżu lub brązu). Po latach pojawia się na nich piękna zielona patyna. Głównym składnikiem w tym przypadku jest węglan hydroksomiedzi(II). Patyna stanowi powłokę ozdobną, ale przede wszystkim zabezpiecza metal przed dalszą korozją. Z chemicznego punktu widzenia to przykład procesu zwanego pasywacją. Typowym metalem, który jej ulega, jest aluminium. Pod wpływem tlenu z powietrza wyroby aluminiowe powoli pokrywają się bardzo cienką warstwą tlenku glinu, który całkiem dobrze chroni przed dalszą korozją. Warto jednak przypomnieć, że powłoka z tlenku glinu nie jest odporna na substancje kwaśne, dlatego nie należy w garnkach z tego metalu gotować np. zupy ogórkowej czy kapuśniaku.

Istnieją rozmaite sposoby ochrony powierzchni metali przed niszczącym wpływem otoczenia. Nie każdy bowiem ulega pasywacji. Najprostszą z technik jest pokrycie jej dodatkową powłoką, czyli m.in. pomalowanie. Farba izoluje metal od otoczenia. Najistotniejszą sprawą staje się tutaj znalezienie farby doskonale przylegającej, a jednocześnie nieulegającej destrukcji. Świetnym przykładem olbrzymiej konstrukcji, której powierzchnię zabezpieczono farbą, jest słynny most Golden Gate w San Francisco. Pierwotnie pomalowano go pomarańczową minią ołowiową (Pb3O4), którą stosuje się od dawna jako pigment antykorozyjny. Od roku 1990 pokrywa się budowlę specjalnymi farbami akrylowymi odpornymi na działanie zanieczyszczonego powietrza.

Innym sposobem zabezpieczania powierzchni jest emaliowanie – zabieg podobny do szkliwienia ceramiki. Odpowiednią mieszaninę substancji mineralnych nakłada się na powierzchnię metalu (np. garnków czy kubków), po czym następuje jej wypalanie, co daje w efekcie twardą i gładką powłokę, bardzo odporną na działanie czynników chemicznych oraz temperatury. Szeroko stosuje się też metody galwaniczne, polegające na elektrochemicznym pokrywaniu powierzchni metalowej cienką powłoką z innego metalu, najczęściej bardziej odpornego chemicznie i mechanicznie. W procesie galwanizacji wykorzystuje się zjawisko wypierania metali bardziej szlachetnych z ich soli, a siłą napędową (mówiąc skrótowo) jest tutaj prąd elektryczny. Proces ten wykorzystuje się często do nałożenia warstwy antykorozyjnej. W niektórych przypadkach chodzi z kolei o uzyskanie podwójnego efektu – z jednej strony wytworzenia powierzchni bardziej odpornej na uszkodzenia mechaniczne, a z drugiej – ozdobnego. Typowym przykładem może tu być wytwarzanie wszelkich elementów chromowanych.

Niektóre powierzchnie, szczególnie elementów metalowych przewodzących prąd, wymagają odizolowania elektrycznego od środowiska zewnętrznego. Dlatego np. drut miedziany nawojowy, wykorzystywany do produkcji cewek albo uzwojeń w transformatorach, prądnicach czy silnikach, zwykle zostaje pokryty cienką warstwą lakieru poliestrowego. Zabezpiecza on przed przebiciem, ponieważ poliester jest izolatorem elektrycznym. W przypadku kabli elektrycznych, przez które płynie większy prąd, powierzchnię metalu zabezpiecza się materiałem izolacyjnym – gumą, silikonem, polietylenem lub innymi elastycznymi tworzywami sztucznymi.

Epitaksja

To pochodzące z greki słowo powinno nam się przypominać za każdym razem, gdy rozmawiamy przez smartfon czy używamy komputera. Rozszyfrujmy je: epi- oznacza „na”, a taxis – „uporządkowanie”. Jest to jedna z metod bardzo precyzyjnej modyfikacji powierzchni, która pozwala na wyprodukowanie układów scalonych, diod laserowych oraz ogniw słonecznych. Pokrywanie powierzchni ciała stałego warstwą innego materiału opisano powyżej – po co więc tworzyć nowe pojęcie? W tym przypadku ma to głębokie uzasadnienie, ponieważ bardzo cienka warstwa, którą nanosimy, w założeniu ma mieć taką samą strukturę krystaliczną jak podłoże. Technika epitaksji jest bardzo szeroko rozpowszechniona w przypadku produkcji półprzewodników. W tym przypadku na powierzchni krystalicznego krzemu osadza się niezwykle cienką warstwę innego półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Tak przygotowany półprodukt podlega dalszej obróbce, zależnej od tego, co zamierzamy uzyskać.

Nowoczesne metody modyfikacji powierzchni

Malowanie, emaliowanie czy nakładanie powłok galwanicznych to metody szeroko stosowane, ale w wielu wypadkach niewystarczające. Dlatego inżynierowie we współpracy z uczonymi opracowali zupełnie nowe, bardziej wyrafinowane sposoby modyfikacji powierzchni. Jedną z nich jest fizyczne osadzanie z fazy gazowej, znane pod skrótem PVD (ang. physical vapour deposition). Najogólniej mówiąc, polega ono na przekształceniu materiału osadzanego w parę, a następnie wymuszeniu jego krystalizacji bezpośrednio na modyfikowanej powierzchni. Dokonuje się tego w aparaturze próżniowej, co pozwala na stosowanie niskiej temperatury. Metoda ta wiąże się jednak z wysokimi kosztami. Stosuje się ją w przemyśle lotniczym i kosmicznym, optycznym, ale też np. przy produkcji biżuterii.

Inna metoda polega na chemicznym osadzaniu z fazy gazowej (CVD – chemical vapour deposition). W tym przypadku podłoże zostaje podgrzane, a pary substratów osadzają się na nim, wiążąc się dzięki reakcjom chemicznym. Klasycznym przykładem wykorzystania CVD jest wytwarzanie narzędzi skrawających poprzez nanoszenie azotku tytanu (TiN) albo węgliku tytanu (TiC). Technikę CVD można zmodyfikować poprzez użycie wspomagania plazmowego, przy czym plazmę generuje się w polu elektrycznym, gdzie anodą jest modyfikowana powierzchnia.

Warto też wspomnieć o jeszcze jednej metodzie, która pozwala na bardzo precyzyjną zmianę charakterystyki fizycznej, chemicznej lub elektrycznej powierzchni ciała stałego. Nosi ona nazwę implantacji jonów i w pewnym sensie przypomina malowanie natryskowe w skali mikro, ale w wersji wyrafinowanej. Wykorzystuje się tutaj źródło jonów, które zostają rozpędzone w polu elektrycznym, a następnie zderzają się z daną powierzchnią. Całość procesu przeprowadza się zwykle w komorze próżniowej w temperaturze poniżej 100ºC. Metodę tę dość szeroko stosuje się w przemyśle półprzewodnikowym, gdzie w ten sposób domieszkuje się materiał półprzewodnika borem, fosforem lub arsenem. Podobnej techniki używa się także do wyrobu specjalistycznych narzędzi. W tym przypadku powierzchnię stali bombarduje się jonami azotu. W efekcie uzyskujemy istotne zmiany strukturalne powierzchni, a otrzymane tym sposobem narzędzia mają zwiększoną odporność na pęknięcia i korozję. Od niedawna metodę implantacji jonów stosuje się także do modyfikacji powierzchni takich elementów jak endoprotezy, a szczególnie sztuczne stawy oraz chrząstki.

Do modyfikacji powierzchni różnych materiałów służą także lasery. Znakowanie nimi jest obecnie powszechnie wykorzystywane np. w przemyśle spożywczym. Daty przydatności do spożycia, które możemy zobaczyć na butelkach czy słoikach, powstają właśnie za pomocą laserów. W przypadku powierzchni metalowych lasery służą do precyzyjnego grawerowania. Rodzaj i jakość powstającego grawerunku zależą od typu i mocy urządzenia. Zaletą tej techniki jest to, że przebiega ona bezkontaktowo, a więc można ją stosować w przypadku obiektów delikatnych, bez konieczności ich mocowania.

W ostatnich latach metody inżynierii powierzchni zaczęto wykorzystywać do produkcji tworzyw gradientowych. Materiały te wykazują ciągłą zmianę niektórych właściwości w jednym lub więcej kierunkach, a korzysta z nich np. inżynieria biomedyczna do wytwarzania elementów ceramicznych imitujących strukturę żywej kości (gradient porowatości). Szerokie zastosowanie znalazły one też w przemyśle maszynowym, produkcji silników odrzutowych, a nawet w energetyce termojądrowej. Formowanie tych materiałów odbywa się dzięki technice natryskiwania plazmowego, spiekania laserowego, a także wspomnianym wcześniej metodom CVD oraz PVD.

Skóra

Poza powierzchniami w technice czy fizyce warto przyjrzeć się też powierzchniom żywym. Jedną z nich jest skóra – niesamowity narząd, produkt ewolucji występujący u wszystkich kręgowców. U człowieka ma ona grubość od 0,5 mm (powieki) do ok. 4 mm (pięty, dłonie). Jej powierzchnia jest w sposób ciągły modyfikowana. W tym celu natura wykształciła gruczoły łojowe. Produkują one łój (oraz woskowiny), który pełni przede wszystkim funkcję ochronną, ale też antybakteryjną i przeciwgrzybiczą, choć te ostatnie funkcje nie są jeszcze zbyt dokładnie poznane. Łój skórny, znany też pod nazwą sebum, to dość złożona mieszanina lipidów, głównie glicerydów, czyli związków o strukturze chemicznej zbliżonej do oleju. Wydziela się przez całe nasze życie i sprawia, że skóra jest miękka i odporna na pękanie.

Wydzielanie łoju można nazwać inżynierią wewnętrzną, ale wszyscy od wieków zajmujemy się też innego rodzaju modyfikacją skóry – wystarczy zajrzeć do dowolnej łazienki. Znajdziemy tam cały szereg produktów, których zadaniem jest poprawa jakości naszej skóry albo jej modyfikacja. Kosmetolodzy, a także dermatolodzy zalecają np. używanie preparatów nawilżających, jeśli nasza skóra staje się zbyt sucha i zaczyna pękać, a gdy z kolei przetłuszcza się, mamy do dyspozycji wiele produktów usuwających nadmiar lipidów. To wszystko są zabiegi pielęgnacyjne, ale inżynieria powierzchni skóry sięga znacznie dalej. Maseczki, podkłady, pudry, fluidy, korektory… – tych produktów opracowano tysiące, a ich zadaniem jest właśnie modyfikacja powierzchni (wiem, że to brzmi bardzo technicznie, ale tak jest). W taki sam sposób można opisać też znacznie mocniejszą ingerencję w powierzchnię skóry – mam tu na myśli oczywiście wszelkie tatuaże, czasowe (tzw. biotatuaże) oraz trwałe. Tego typu działania są też tak stare jak cywilizacja. Modyfikowanie powierzchni skóry poprzez wykonywanie tatuaży miało pierwotnie znaczenie głównie rytualne, a później ozdobne.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Powłoki przeciwodblaskowe

Powierzchnię elementów optycznych często pokrywa się powłoką antyrefleksyjną. Jej zadaniem jest zminimalizowanie natężenia światła odbitego, a tym samym zwiększenie ilości światła przechodzącego przez szkło. Pierwotnie na szkło nakładano pojedynczą cienką warstwę, ale w miarę rozwoju technologii ich liczba wzrosła nawet do kilkunastu. Technikę tę stosuje się w profesjonalnym sprzęcie optycznym, m.in. teleskopach, ale trafiła też do powszechnego użytku – powłoki antyrefleksyjne mają np. okulary.

***

Lakierowanie i lakowanie zębów

Modyfikacja powierzchni ma czasami znaczenie lecznicze. Tak dzieje się np. w przypadku fluoryzacji, czyli powlekania zębów specyfikiem zawierającym związki fluoru. Tutaj proces polega na powolnej migracji jonów fluorkowych w głąb szkliwa.

Innym zabiegiem stomatologicznym jest lakowanie zębów, czyli powlekanie zębów przedtrzonowych oraz trzonowych lakiem wypełniającym naturalne mikrobruzdy, w których może rozwijać się próchnica. Stosowane do tego zabiegu środki to żywice i cementy, ale najbardziej wytrzymałe są światłoutwardzalne laki kompozytowe.

***

Powierzchnia lodofobowa

Niskie temperatury mogą stanowić śmiertelne niebezpieczeństwo dla załóg i pasażerów samolotów. Powierzchnie zewnętrzne samolotów pokrywają się lodem, który w istotny sposób wpływa na właściwości aerodynamiczne. Dlatego kluczową sprawą jest odladzanie maszyn przed startem. Robi się to najczęściej za pomocą różnych środków chemicznych. Istnieją jednak lepsze rozwiązania. Polski zespół pracuje nad modyfikacją powierzchni materiałów, z których wykonano kadłuby samolotów, w taki sposób, aby stały się lodofobowe. Dodatek nanocząstek oraz modyfikacja chemiczna żelkotu, który stanowi zewnętrzną warstwę takich powierzchni, sprawiają, że lód do niego nie przywiera albo jego powstawanie jest znacznie opóźnione.

***

Odżywka do włosów

Warto wiedzieć, że jednym ze sposobów modyfikacji powierzchni, którą wielu ludzi stosuje w domu, jest używanie odżywki do włosów. Środki te to mniej lub bardziej złożone mieszaniny chemiczne substancji nawilżających (humektanty), takich jak gliceryna i glikol propylenowy, a często także ceramidy. Są to związki z grupy lipidów, a więc substancje o charakterze tłuszczów, mające nadać włosom miękkości i sprężystości. Dzieje się tak, ponieważ wypełniają one przestrzenie międzykomórkowe w osłonkach włosów. W niektórych odżywkach stosuje się też witaminy i inne składniki.

***

Piaskowanie

Jedną z prostych, ale efektywnych technologii stosowanych do czyszczenia i kształtowania powierzchni jest piaskowanie. Polega ono na oddziaływaniu na obiekt strumieniem powietrza lub wody zawierającym drobne ziarna materiału ściernego. Przez wiele lat używano do tego celu piasku (stąd nazwa), ale obecnie coraz częściej stosuje się inne materiały. Należą do nich m.in. sproszkowany granat (minerał z grupy krzemianów) albo kizeryt (siarczan magnezu). W przypadku powierzchni delikatnych i do usuwania np. graffiti wykorzystuje się mielone skorupy orzechów kokosowych albo pestek. Można też używać innych miękkich materiałów, takich jak soda oczyszczona, skrobia kukurydziana czy suchy lód. Twarde powierzchnie piaskuje się również mielonym żużlem miedzianym albo niklowym, korundem, karborundem (węglik krzemu) czy piaskiem ceramicznym.
Piaskowanie wykonuje się też w gabinetach stomatologicznych. W tym przypadku czyszczenie powierzchni zębów odbywa się za pomocą delikatnej sody oczyszczonej zmieszanej z wodą, kwasem krzemowym oraz aromatem smakowym.