V članku, ki je objavljen v reviji Ultrasonics Sonochemistry (IF = 7.279), sta doc. dr. Martin Petkovšek in doc. dr. Peter Gregorčič pokazala, da lahko lasersko teksturiranje uporabimo za spremembe trodimenzionalnih površin tako, da to omogoča nadzorovano hidrodinamsko kavitacijo.

Interakcija med kapljevino in trdno mejo lahko vodi v nastanek kavitacije, če lokalni tlak pade pod prag izparevanja. Kavitacijska dinamika ni odvisna le od osnovne geometrije telesa, ampak tudi od hrapavosti površine ter površinske kemije in omočljivosti. Z aplikativnega stališča je nadzor kavitacije v toku kapljevin preko funkcionalizacije površine pomemben, ker predstavlja nov pristop za preprečevanje neželenih posledic hidrodinamske kavitacije (erozija, hrup in vibracije). Po drugi strani pa omogoča tudi povečevanje kavitacije in s tem intenziviranje različnih fizikalnih in kemičnih procesov.

V raziskavi smo površino valjev iz nerjavnega jekla s premerom 10 mm lasersko obdelali, da bi preučili, kako lahko nastanek in dinamiko hidrodinamske kavitacije nadziramo s spreminjanjem površinskih lastnosti. Z laserskim teksturiranjem smo izdelali površine s petimi različnimi površinskimi topografijami in z različno omočljivostjo. Preizkusili smo jih v kavitacijskem tunelu. Nastanek in razvoj kavitacije za funkcionaliziranimi cilindričnimi površinami smo opazovali in vrednotili preko vizualizacije s hitrotekočo kamero (20.000 fps) in preko meritev tlaka z visokofrekvenčnim tlačnim senzorjem. Rezultati jasno kažejo, da se značilnosti kavitacije med različnimi mikrostrukturiranimi površinami močno razlikujejo. Na nekaterih površinah se začetna kavitacija zakasni, njen obseg pa zmanjša v primerjavi z referenčno (polirano jekleno) površino.

Pokazali smo, da karakteristike hidrodinamske kavitacije niso odvisne zgolj od hrapavosti površine, temveč nanje pomembno vpliva tudi površinska omočljivost. Hidrofilnost namreč zavira nastanek začetne kavitacije, ker kapljevina ostaja v stiku s hidrofilno površino. Posledično se kapljevina od take površine loči šele pri večjih pretokih (ki pomenijo večjo energijo). Pri tem prehod iz hidrofilnega v hidrofobno stanje, ki je značilen za lasersko obdelane kovinske površine, ponuja nov in inovativen pristop za preučevanje interakcije med pretokom kapljevine in ukrivljenimi površinami z različno omočljivostjo, a isto topografijo na mikrometrski skali.

Predstavljeni rezultati so tudi del raziskovalnega ARRS Lasersko mikro in nanostrukturiranje za razvoj biomimetičnih kovinskih površin z edinstvenimi lastnostmi (LaMiNaS) in jasno kažejo, da laserski inženiring površin omogoča učinkovito spreminjanje nastanka in razvoja kavitacije na isti osnovni geometriji (valju). Ustrezni parametri laserske obdelave namreč povzročijo manj intenzivno kavitacijo oz. njen nastanek zamaknejo k nižjim kavitacijskim številom. To potrjuje, da laserski inženiring površin, kot smo ga razvili v sodelovanju med laboratorijema LVTS in LASTEH, predstavlja učinkovito orodje za spreminjanje površinskih lastnosti, ki lahko vodijo v: (i) zmanjšanje tveganja za pojav kavitacije ali sčasoma zmanjšanje obsega kavitacije in njene agresivnosti ter posledično kavitacijske erozije; in (ii) v povečanje kavitacijskih učinkov, ko jih potrebujemo, na primer, za napredne oksidacijske procese.

Izvirni znanstveni članek je prosto dostopen (pod CC BY 4.0 licenco) na: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105126