LIPSS su Acciaio: Come la Rugosità Superficiale Detta Legge (con i Laser a Femtosecondi!)

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi in un viaggio affascinante nel mondo delle nanotecnologie, un posto dove la luce laser incontra la materia e crea meraviglie invisibili a occhio nudo. Avete mai sentito parlare delle LIPSS? No, non sono l’ultima band K-Pop, ma l’acronimo sta per Laser-Induced Periodic Surface Structures, ovvero Strutture Superficiali Periodiche Indotte da Laser. Immaginate delle minuscole, ordinatissime increspature sulla superficie di un materiale, create proprio sparandoci sopra un laser!

Queste strutture sono incredibilmente promettenti: possono cambiare il modo in cui un materiale interagisce con la luce (pensate a colori strutturali, senza pigmenti!), migliorare le sue proprietà tribologiche (cioè come si comporta all’attrito), modificare come l’acqua bagna la superficie (idrofilia/idrofobicità) e persino influenzare l’adesione delle cellule. Insomma, un vero e proprio superpotere per i materiali!

La sfida, però, è ottenere queste LIPSS belle regolari e omogenee su grandi aree. Non è facile come sembra. Qui entro in gioco io, o meglio, la ricerca di cui vi parlo oggi. Ci siamo chiesti: quanto conta la “pelle” iniziale del materiale? La sua rugosità superficiale, in particolare quella con una direzione preferenziale (come i graffi lasciati dalla carta vetrata), può influenzare la nascita e l’ordine di queste nanostrutture? E la risposta, ve lo anticipo, è un sonoro “Sì, eccome!”.

Ma cosa sono esattamente queste LIPSS?

Fondamentalmente, quando un fascio laser polarizzato linearmente colpisce una superficie con la giusta energia, si crea un’interferenza tra la luce incidente e onde superficiali (come i plasmoni polaritoni di superficie sui metalli) o luce diffusa dalla rugosità stessa. Questa interferenza “scolpisce” il materiale, creando delle strutture periodiche.

Ne esistono principalmente due tipi:

• LSFL (Low Spatial Frequency LIPSS): Hanno un periodo (la distanza tra due “creste” dell’increspatura) simile alla lunghezza d’onda del laser usato.
• HSFL (High Spatial Frequency LIPSS): Hanno un periodo molto più piccolo della lunghezza d’onda del laser.

Per crearle in modo preciso, i laser a femtosecondi sono i nostri migliori amici. Perché? Perché emettono impulsi di luce incredibilmente brevi (parliamo di milionesimi di miliardesimi di secondo!). Questo permette di depositare energia in modo super localizzato, senza scaldare troppo il materiale circostante. Risultato: meno danni termici, niente fusioni indesiderate e strutture molto più definite e regolari. È come usare un bisturi di precisione anziché una clava!

L’esperimento: Acciaio Inox sotto i riflettori (e sotto il laser!)

Per investigare il ruolo della rugosità, abbiamo preso delle lastre di comune acciaio inossidabile (AISI 304). Poi, ci siamo messi d’impegno con carta vetrata di grana diversa e paste lucidanti per creare superfici con differenti livelli di rugosità, ma soprattutto con graffi prevalentemente orientati in una direzione. Abbiamo misurato questa rugosità con un parametro chiamato Sa (l’altezza media aritmetica delle asperità) e anche la Sal (la lunghezza di autocorrelazione, che ci dice quanto “spazio libero” c’è tra i graffi).

A questo punto, è entrato in scena il nostro laser a femtosecondi (un Ytterbium a 1030 nm). Abbiamo “scritto” sulla superficie dell’acciaio variando alcuni parametri chiave:

• La fluenza (l’energia del laser per unità di area).
• La polarizzazione della luce laser: l’abbiamo orientata a 0° o 90° rispetto alla direzione dei graffi sulla superficie.
• La direzione di scrittura: abbiamo mosso il fascio laser parallelamente (H) o perpendicolarmente (V) alla direzione dei graffi.

In pratica, abbiamo creato una matrice di condizioni diverse su ogni campione con rugosità differente.

Misurare la regolarità: entra in gioco il DLOA

Ok, abbiamo creato le LIPSS. Ma come facciamo a dire quanto sono “ordinate”? Abbiamo usato una metrica chiamata DLOA (Dispersion of the LIPSS Orientation Angle). In parole povere, analizzando le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM), un software specializzato (ImageJ con il plugin OrientationJ) calcola l’orientamento di ogni singola “increspatura” e poi misura quanto questi orientamenti si discostano da quello medio. Un DLOA basso significa LIPSS molto allineate e regolari, un DLOA alto indica più disordine.

I risultati: la rugosità e la polarizzazione dettano legge!

Ed ecco la parte succosa! Cosa abbiamo scoperto analizzando i valori di DLOA?

1. La regola generale e l’eccezione: In teoria, sui metalli, le LIPSS dovrebbero formarsi perpendicolarmente alla direzione della polarizzazione del laser. Ma abbiamo visto che i graffi sulla superficie possono “tirare” le LIPSS verso la loro direzione! Se la polarizzazione è parallela ai graffi (Pol 90), le LIPSS tendono comunque a formarsi perpendicolarmente ad essa (e quindi ai graffi). Ma se la polarizzazione è perpendicolare ai graffi (Pol 0), le LIPSS tendono ad allinearsi *con* i graffi stessi! È come se i graffi agissero da “binari” preferenziali.

2. L’effetto della quantità di rugosità (Sa):

• Su superfici molto lisce (Sa basso, circa 32 nm): La polarizzazione conta poco, i valori di DLOA sono simili sia a 0° che a 90°. Le LIPSS si formano un po’ a caso, guidate da difetti puntiformi.
• Aumentando la rugosità (fino a 178 nm): Qui le cose si fanno interessanti!
  • Con Polarizzazione 0 (perpendicolare ai graffi): Il DLOA diminuisce! La rugosità direzionale aiuta a creare LIPSS più regolari. Sembra che i graffi agiscano da “semi” che promuovono un’organizzazione migliore. Abbiamo ottenuto i risultati migliori (DLOA più basso) proprio a 178 nm.
  • Con Polarizzazione 90 (parallela ai graffi): Il DLOA inizialmente diminuisce un po’, ma poi, per rugosità maggiori di 178 nm, aumenta drasticamente! In questo caso, avere graffi paralleli alla polarizzazione sembra ostacolare la formazione di LIPSS regolari.
• Con rugosità ancora maggiori (>178 nm): La superficie si comporta quasi come un reticolo di diffrazione. Questo aiuta l’accoppiamento tra la luce laser e i plasmoni di superficie (SPP), un meccanismo chiave per la formazione delle LIPSS. Ma questo aiuto funziona bene solo quando la polarizzazione è perpendicolare ai “solchi” del reticolo (Pol 0), un fenomeno legato alle cosiddette anomalie di Wood. Con Pol 90, l’effetto è molto meno marcato o addirittura controproducente per la regolarità.

3. E la direzione di scrittura (H vs V)? Anche come muoviamo il laser conta, ma soprattutto quando le cose sono già “difficili”.

• Con Polarizzazione 0 (dove i graffi aiutano): La direzione di scrittura (parallela H o perpendicolare V ai graffi) ha un impatto trascurabile sulla regolarità (DLOA simile).
• Con Polarizzazione 90 (dove i graffi ostacolano): Qui la direzione di scrittura fa la differenza! Scrivere parallelamente ai graffi (H) porta a LIPSS più regolari (DLOA più basso) rispetto a scrivere perpendicolarmente (V). È come se seguire la direzione dei graffi aiutasse a mantenere un po’ più di ordine, anche quando la polarizzazione rema contro. Lo si vede bene anche nelle mappe a colori che mostrano l’omogeneità dell’orientamento: con Pol 90 e scrittura V, le zone di sovrapposizione tra le passate del laser sono più disordinate.

Cosa ci portiamo a casa?

Questo studio ci dice chiaramente una cosa: se vogliamo creare LIPSS super regolari e omogenee su metalli come l’acciaio inox usando laser a femtosecondi, non possiamo ignorare la condizione iniziale della superficie. La rugosità non è solo un “disturbo”, ma uno strumento che possiamo usare a nostro vantaggio!

Abbiamo dimostrato che:

• La grandezza della rugosità conta.
• La direzionalità della rugosità (i graffi orientati) è cruciale.
• L’orientamento della polarizzazione laser rispetto ai graffi è la chiave di volta: perpendicolare (Pol 0) favorisce la regolarità, parallela (Pol 90) la ostacola, specialmente a rugosità elevate.
• Esiste una rugosità “ottimale” (intorno ai 178 nm nel nostro caso) che massimizza la regolarità, specialmente con Pol 0.
• La direzione di scrittura diventa importante quando la combinazione rugosità/polarizzazione non è ideale (Pol 90), e scrivere parallelamente ai graffi aiuta.

Queste scoperte aprono la strada a strategie di pre-trattamento mirate delle superfici metalliche. Controllando la rugosità iniziale in modo intelligente, possiamo “guidare” il laser a femtosecondi per produrre LIPSS di qualità superiore, più uniformi e riproducibili. E questo significa poter sfruttare al meglio tutte le fantastiche proprietà che queste nanostrutture offrono per applicazioni ottiche, tribologiche, biomediche e molto altro! Non è affascinante come qualcosa di apparentemente “ruvido” possa portare a un ordine così preciso su scala nanometrica?

Fonte: Springer