۱-۲-۲۱ ایجاد زبری به روش میکروسکوپ نیروی اتمی^[۴۴]

در ایجاد زبری به روش میکروسکوپ نیروی اتمی محدودیت‌های کمتری نسبت به میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی وجود دارد، چرا که در شرایط محیطی معمولی قابلیت کارکرد دارد و هر نوع ماده‌ای را نیز می‌توان با میکروسکوپ نیروی اتمی مورد بررسی قرار داد. بعلاوه در صورت استفاده از یک پروب رسانا، میکروسکوپ نیروی اتمی، عمده عملکردهای میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی را خواهد داشت. لایه‌برداری از سطح (ایجاد فرسایش و زبری) توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، در مقیاس نانومتری به کمک ماشینکاری یا تراش‌دهی با پروب به انجام می‌رسد. همچنین مکانیزم رسوب‌دهی مواد توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، مشابه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی می‌باشد [۱].

۱-۲-۲۲ ایجاد فرسایش توسط لیزر^[۴۵]

این روش در اینجا به صورت اجمالی مورد بحث قرار گرفته است، توضیحات و بررسی‌های کامل در مورد این فرایند در بخش‌های بعدی آورده شده است. اصلاح سطحی پلیمرها مبحثی با اهمیت فراوان است که منجر به کاربرد وسیع مواد، به ویژه پلیمرهای مصنوعی در جوامع انسانی شده است. تا کنون روش‌ها و فرآیندهای مختلفی برای اصلاح سطحی مواد گزارش شده و از میان آن‌ها، به منظور بهبود خواص سطحی پلیمر‌ها، روش پرتودهی بیشتر مورد توجه بوده است. از روش‌های پرتودهی قابل استفاده برای اصلاح سطحی و بهبود خواص مورد نظر بر روی پلیمر‌ها، پرتودهی با بهره گرفتن از پرتو لیزر است [۳،۲۹].

تغییرات حاصل از پرتودهی لیزر، محدود به سطح مواد بوده و خسارات احتمالی به تودۀ مواد، نسبت به پرتوهای دیگر مثل گاما و الکترونی به حداقل رسیده و خواص مکانیکی مواد حفظ شده است. با توجه به تحقیقات انجام شده در زمینۀ بهینه‌سازی فیلم‌ها و الیاف پلیمری با لیزر، مشخص شده است که فرسایش حاصل از پرتودهی لیزر بر روی سطوح، همراه با ایجاد تغییرات شیمیایی، مانند به وجود آمدن گروه‌های عاملی جدید و همچنین تغییرات فیزیکی، مانند پدیدار شدن مرفولوژی منحصر به فرد با ساختاری منظم در نواحی تابش دیده بوده، که منجر به بهبود خواص پلیمری شده است [۳،۲۹].
پرتو لیزر باعث برداشتن و یا فرسایش مواد از سطوح پلیمری می‌شود، به طوری که این پدیده به فرسایش نور تجزیه‌ای^[۴۶] معروف است [۲۸]. فرایند ایجاد فرسایش توسط لیزر عبارت است از برداشتن ماده از سطح به کمک تابش یک باریکه لیزر به سطح. عموماً در این فناوری از لیزر پالسی بهره گرفته می‌شود، ولی در صورتی که شدت باریکه لیزر به حد کافی بالا باشد، امکان استفاده از موج پیوستۀ لیزر نیز وجود دارد. مزایای سایش و اصلاح سطح با بهره گرفتن از لیزر عبارتند از:
از هیچ حلالی استفاده نمی‌شود و ماده با هیچ‌گونه ترکیب شیمیایی در تماس قرار نمی‌گیرد که این از نظر زیست محیطی بسیار مناسب است.
با وجود هزینۀ سرمایه گذاری اولیه، هزینۀ کلی آن نسبت به روش‌های ساینده‌ی خشک مثل سایش با یخ خشک (دی‌اکسید‌کربن جامد) کمتر است [۱].
این فرایند ظرافت بیشتری نسبت به روش‌های دیگر سایش داشته و قابلیت اصلاح مناطق کوچک، بدون تأثیر گذاشتن بر مناطق دیگر را دارد، برای مثال الیاف کربن درون یک کامپوزیت در روش ایجاد فرسایش توسط لیزر آسیب نمی‌بینند.
آسیب‌دیدگی کمتر سطح پلیمر و نفوذ حرارتی کنترل شده
انعطاف پذیری و قابلیت عملکرد بر روی انواع مواد
سرعت و دقت بالای فرایند و قابلیت تکرار خوب
سادگی در روش کار و عدم نیاز به کنترل شدید فرایند
تنها مشکل این روش هزینۀ بالاتر در سرمایه گذاری اولیه، مصرف انرژی حین کار و تعمیر و نگهداری آن نسبت به بقیۀ روش‌ها می‌باشد، ولی در نهایت این روش به خاطر داشتن این مزایا به عنوان یک روش مطلوب بشمار می‌رود [۱۰].

۱-۳ پیشینه پژوهش اصلاح سطحی صورت گرفته توسط پرتودهی لیزر

در سال ۱۹۸۲ سرینیواسان^[۴۷] و همکارانش [۳۲] (در آمریکا) در زمینۀ خود اصلاح شوندگی با فرسایش نوری بر روی فیلم پلی‌اتیلن‌ترفتالات^[۴۸]، توسط پرتودهی لیزر اکسایمر فرابنفش تحقیق کردند. طبق این بررسی به این نتیجه رسیدند که پرتودهی در طول موج ۱۹۳ نانومتر توسط لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید، می‌تواند باعث فرسایش سطوح فیلم پلی‌اتیلن‌ترفتالات در یک رفتار کنترل شده، بدون نیاز به هیچ‌گونه عملیات بعدی شود.
همین‌طور در سال ۱۹۸۲ کاوامورا^[۴۹] و همکارانش [۳۳] (در ژاپن) در مورد تأثیر عمیق فرسایش نور فرابنفش بر روی فیلم پلی‌متیل‌متااکریلات توسط یک لیزر اکسایمر، بررسی‌هایی را انجام دادند. در این تحقیق، نتایج حاصل از آزمایشات در فرسایش نوری پلی‌متیل‌متااکریلات به وسیلۀ لیزر اکسایمر، نشان داد که لیزر می‌تواند به عنوان یک منبع نوری اثر گذار در فرسایش توسط نور فرابنفش عمل کند.
در سال ۱۹۸۳ آندری^[۵۰] و همکارانش [۳۴] (در انگلیس) بر روی فرسایش مستقیم مواد پلیمری با بهره گرفتن از لیزر زنون کلرید^[۵۱] تحقیقاتی را انجام دادند. در این بررسی فرسایش فیلم‌های پلی‌اتیلن‌ترفتالات، پلی‌آمید و فیلم‌های مقاوم در برابر نور^[۵۲]، توسط لیزر زنون کلرید انجام شده و همچنین یک مدلسازی گرمایی برای تخریب و فرسایش صورت گرفته است. بر طبق این مطالعات میکرو‌ساختارهای ظاهر شده، توسط فرسایش عمیق این لیزر اکسایمر، مفید بودن آن را اثبات کرده است.
در سال ۱۹۸۶ لازار^[۵۳] و همکارانش [۳۵] (در آمریکا) بر روی خواص سطحی فیلم‌های پلی‌اتیلن‌ترفتالات اصلاح شده توسط لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید^[۵۴] با طول موج ۱۹۳ نانومتر و ۱۸۵ نانومتر با شدت انرژی پایین مطالعاتی را انجام دادند. همچنین در این بررسی گزارش شده که در پرتودهی با لیزر، از شدت انرژی ۴۰ میلی‌ژول بر سانتیمتر مربع به بعد، اثرات فرسایش شروع می‌شود.
در سال ۱۹۹۳ لازار و بنت^[۵۵] [۳۶] در ادامۀ کارهای قبلی، مطالعۀ آمورف کردن سطح فیلم‌های میلار^[۵۶] (نوعی پلی‌استر) به کمک پرتودهی لیزر اکسایمر را انجام دادند. در این تحقیق عمق مناطق آمورف توسط اندازه‌گیری مونوکروماتیک الیپسومتری^[۵۷] یا بیضی سنجی یک تکفام یا یک تک رنگ، شبیه یک عملکرد تابع انرژی پالس، انجام شده بود.
در سال ۱۹۹۵ عترتی و دایر^[۵۸] [۳۷] در زمینۀ مکانیسم فرسایش پلیمرهای آلی به وسیلۀ لیزرهای اکسایمر و مادون قرمز بررسی‌هایی را انجام داده و روابطی را ارائه نمودند. طبق بررسی‌های انجام شده دریافتند که مواد حاصل از برهمکنش لیزر با پلی‌استر، دی‌اکسیدکربن، مونواکسیدکربن، گروه آلدئیدی^[۵۹]، استالدئید^[۶۰]، آب، استیلن^[۶۱] و غیره می‌باشد.
در سال ۱۹۹۷ نیتل^[۶۲] و همکارانش [۳۱] ساختمان سطحی الیاف مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر را تحت بررسی قرار دادند. آن‌ها دریافتند که در مکان‌های پرتودهی شده، اصلاح فیزیکی به صورت ایجاد ساختمان‌های سطحی منظم رخ می‌دهد.
مجدداً در سال ۱۹۹۷ نیتل و همکارانش [۳۸] در ادامۀ کار قبلی مدل‌ها و مکانیسم ایجاد ساختمان سطحی، در الیاف مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که رهاسازی تنش‌های باقیمانده در الیاف، با نوسانات دمایی بالا مرتبط است، که منجر به رفتاری گروهی^[۶۳] برای جابجایی زنجیره‌های پلیمری می‌شوند.
در سال ۱۹۹۸ نیتل و اسکولمیر^[۶۴] [۲۶] در ادامۀ تحقیقات خود تغییرات عاملیتی یا شیمیایی ساختمان سطحی در اثر پرتودهی لیزر را بررسی کرده‌اند. در این تحقیق ترکیبات شیمیایی سطح به همراه ساختمان سطحی ایجاد شده توسط پرتودهی لیزر مواد لیفی‌شکل، از قبیل پلی‌اتیلن‌ترفتالات (پلی‌استر) مورد بحث قرار گرفته است (مانند شکل‌گیری گروه‌های کربوکسیلیک^[۶۵] بر روی پلی‌استر و شکل‌گیری پیوند‌های کربونیل^[۶۶] در پلی‌پروپیلن).
همچنین در سال ۱۹۹۸ نیتل و اسکولمیر [۱۰] در ادامۀ کارهای قبلی مربوط به ساختمان‌های سطحی پلیمر‌های مصنوعی پرتودهی شده توسط لیزر اکسایمر، برخی از کاربرد‌های لیزر اکسایمر، در مورد اصلاح سطحی مواد نساجی را نیز مورد مطالعه قرار دادند.
در سال ۲۰۰۱ وونگ^[۶۷] و همکارانش [۳۹] اصلاح شیمیایی سطح الیاف پلی‌اتیلن‌ترفتالات را توسط پرتودهی لیزر اکسایمر در شدت‌های بالا و پایین مورد بررسی قرار دادند. تکنیک‌های آنالیز سطحی نشان می‌دادند که سطح پلی‌استر به صورت انتخابی (آبدوستی یا آبگریزی)، وابسته به رنج شدتی پرتودهی لیزر اصلاح می‌شود.
در سال ۲۰۰۲ ییپ و همکارانش [۲] در یک تحقیق، اثر پرتودهی لیزر و پلاسما را بر روی الیاف فیلامنتی پلی‌آمیدی مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق مرفولوژی ساختمان سطحی، توسط عملیات پرتودهی لیزر اکسایمر و روش پلاسما در دمای پایین، تحت بررسی قرار گرفته و اثر پارامتر‌های مختلف توسط میکروسکوپ الکترون پویشی مطالعه شده است.
همچنین در سال ۲۰۰۲ ییپ و همکارانش [۱۲] مجدداً در تحقیقی دیگر، تأثیر اصلاح صورت گرفته توسط لیزر اکسایمر، بر روی خواص رنگرزی پارچه‌های پلی‌آمیدی پرتودهی شده توسط لیزر را، که توسط رنگ‌های تجاری موجود از قبیل رنگ‌های اسیدی، دیسپرس و راکتیو رنگرزی شده بودند، هم مورد بررسی قرار دادند.
همچنین در سال ۲۰۰۴ ییپ و همکارانش [۴۰] در یک مطالعۀ جامع و گسترده، در مورد اصلاح سطحی الیاف پلی‌آمیدی توسط پرتودهی لیزر اکسایمر، در طول موج ۱۹۳ نانومتر و با شدتی بالاتر از آستانۀ فرسایش تحقیقاتی را انجام دادند. همچنین در این مطالعه، اصلاحات شیمیایی و تغییرات توپوگرافی سطحی صورت گرفته توسط عملکرد لیزر نیز، مورد بررسی قرار گرفته است.
در سال ۲۰۰۵ مایرا^[۶۸] و همکارانش [۴۱] ارزیابی فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی سطح فیلم پلی‌استر پرتودهی شده، توسط لیزر اکسایمر را انجام دادند، که هدف از این کار استفاده از این پلیمر در وسایل پزشکی بود و در نتیجۀ آن قابلیت چسبندگی سلول‌ها و زیست سازگاری آن‌ها بر روی سطوح پلی‌استر پرتودهی شده با لیزر افزایش پیدا می‌کرد.
در سال ۲۰۰۷ میرزاده و باقری [۴۲،۴۳] در دو تحقیق مرتبط با هم، افزایش زیست سازگاری سطح پلی‌استایرن، توسط پرتودهی لیزر اکسایمر آرگون فلوئورید، با طول موج ۱۹۳ نانومتر و تعداد دفعات پالس‌دهی متفاوت را نسبت به عملکرد پلاسمای اکسیژن و آرگون بررسی کردند، که نتایج حاصل از کشت سلولی، نشانگر افزایش زیست سازگاری پلی‌استایرن در این سه عملکرد بود.
همچنین در سال ۲۰۰۹ میرزاده و همکارانش [۱۱] در تحقیقی دیگر، مطالعۀ رفتار سلول‌های فیبروپلاست بر روی سیلیکون الاستومر پیوند شده با پلی‌اکریلیک اسید، به روش کوپلیمریزاسیون پیوندی توسط پرتودهی لیزر پالسی دی‌اکسید‌کربن را، برای کاربرد‌های مهندسی بافت بررسی کردند. آنالیز سطح نشان داد که شدت انرژی پالس لیزر، هم بر روی میزان فرسایش و هم بر روی میزان پیوند انجام شده، تأثیر گذار است.
در سال ۲۰۱۰ نوربخش و همکارانش [۵] کاربرد لیزر در اصلاح برخی از خواص سطحی منسوجاتی از قبیل پارچه‌های پشمی، نایلونی و پلی‌استری را بررسی کردند. آن‌ها دریافتند که پرتودهی توسط لیزر اکسایمر، منجر به افزایش جذب آب در الیاف نایلون و پلی‌استر و همچنین کاهش اثرات نمدی شدن در پشم می‌شود.
در سال ۲۰۱۰ اسلپیکا^[۶۹] و همکارانش [۴۴] در یک تحقیق، سطح برخی پلیمرها را توسط پرتودهی لیزر و همچنین تخلیه الکتریکی پلاسما تحت عملکرد قرار داده و مشاهده کردند که ترکیبات و ساختمان‌های سطحی پلیمر، به طور عمیقی تغییر کرده و منجر به افزایش ترشدگی، هدایت الکتریکی و زیست سازگاری پلیمر شده است.
در سال ۲۰۱۱ چو^[۷۰] و همکارانش [۴۵] مطالعۀ فیزیکی اصلاح سطحی پارچۀ پنبه‌ای خام را، توسط پرتو‌دهی لیزر دی‌اکسید‌کربن بررسی کردند. در این روش قابلیت ترشوندگی نمونه‌ها افزایش یافته و به دلیل آسیب‌دیدگی ناشی از پرتودهی، استحکام کششی و استحکام تا حد پارگی نمونه‌ها کاهش پیدا می‌کرد.
در سال ۲۰۱۱ اسلپیکا و همکارانش [۴۶] تأثیر زاویه پرتودهی لیزر، در طرح‌دهی نانومتری سطح فیلم پلی‌استر را بررسی کردند. تناوب ساختمان‌های موج شکل، به طول موج لیزر و همچنین زاویۀ بین شعاع تابش لیزر و خط عمود به صفحۀ تحت تابش قرار گرفته، وابسته هستند. با افزایش زاویه تابش در ساختمان‌های نانومتری موجی‌شکل ایجاد شده، شیار‌ها موازی‌تر، بزرگ‌تر و با پهنای بیشتر می‌شدند.
در سال ۲۰۱۲ نوربخش و همکارانش [۴۷] رفتار تمیز شوندگی و جذب آلودگی‌ها، در سطح الیاف پارچۀ پلی‌استری و نایلون ۶۶ را که توسط عملیات لیزر و پلاسما پرتودهی شده بودند، مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان می‌داد که مرفولوژی‌های سطحی ایجاد شده توسط عملیات لیزر و پلاسما بسیار متفاوت بودند.

۱-۴ ارزیابی تغییرات شیمیایی، فیزیکی و خواص ایجاد شده ناشی از پرتودهی لیزر

۱-۴-۱ واکنش پرتو لیزر و ماده

واکنش پرتو لیزر و ماده، سرآغاز فرسایش لیزری است و کارآمدی انرژی لیزر منتقل شده به ماده را مشخص می‌کند. بازتابش، جذب، انتقال و همچنین پراکنده شدن^[۷۱] در مورد الیاف، از فرآیندهای اصلی هستند، که واکنش لیزر و ماده را شرح می‌دهند. با توجه به اینکه فرآیندهای بازتابش، انتقال و پراکندگی، انرژی را به ماده منتقل نمی‌کنند، فرایند فرسایش و حک به صورت گسترده‌ای به جذب وابسته است [۳].

۱-۴-۱-۱ شرایط مورد نیاز جذب

مهم‌ترین پیش نیاز اثربخشی لیزر در ایجاد ساختمان‌ها در الیاف، یک ضریب جذب بالا وابسته به طول موج انتخابی لیزر است. به طور مثال برای پلی‌استر، با بهره گرفتن از طول موج‌های کوچک‌تر از ۲۴۸ نانومتر، وارد کردن انرژی به مناطق ذوب شده، به لایه‌های سطحی در حدود ۰٫۱ میکرومتر محدود خواهد شد، بنابراین ساختمان‌ها به شکل نازک گسترش پیدا می‌کنند. عمق نفوذ انرژی بیشتری با بهره گرفتن از طول موج ۳۰۸ نانومتر نور لیزر حاصل شده و بالاتر از آن تقریباً باعث آسیب و ذوب الیاف پلیمری و همچنین ایجاد فرم ساختمان‌های وسیع می‌شود [۳۱].
با توجه به ضریب جذب پلیمر، سرعت فرسایش و سایر مشاهدات، پلیمرها به دو دسته تقسیم می‌شوند، به طوری که دستۀ اول پلیمرهایی هستند که دارای جذب زیادی می‌باشند (مانند پلی‌استایرن، پلی‌ایمید، پلی‌استر و پلی‌سولفون‌ها). فرسایش در مورد این پلیمرها در یک شاریدگی معین انجام می‌شود که به آن شدت آستانه فرسایش^[۷۲] می‌گویند [۳]. دستۀ دوم پلیمرهایی هستند که دارای جذب کمی می‌باشند (مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌وینیلیدن‌فلوراید). فرسایش در مورد این پلیمرها به سختی انجام می‌شود و در شدت و سرعت تکرار زیاد ذوب‌شدگی رخ می‌دهد [۳۱].

۱-۴-۱-۲ برانگیختگی و تفکیک

جذب انرژی پرتو لیزر توسط پلیمر باعث تحریک پیوندهای شیمیایی آن و رسیدن به سطوح انرژی بالاتر از انرژی تفکیک شده و موجب بریدگی زنجیره‌های پلیمری و پیوندهای شیمیایی می‌شود. جذب یک فوتون فرابنفش توسط پیوند بین دو اتم در یک مولکول می‌تواند سطح انرژی پایین (حالت پایه) آن را توسط ایجاد ارتعاش در پیوند با یک سطح خاص الکترونی، به یک سطح انرژی با سطوح الکترونی بالاتر برساند، که در این حالت هنوز پیوند برقرار بوده، اما نسبت به حالت اولیه‌اش شبه پایدار است، و در ادامه در سطوح بالاتر انرژی، انرژی پیوند افزایش یافته و بنابراین دو اتم در ارتعاش بعدی از هم جدا می‌شوند [۳].