Numerical study of early oxidation effect on wettability of laser-treated surfaces
Etude numérique de l'effet de l'oxydation précoce sur la mouillabilité des surfaces traitées au laser
Résumé
Surface texturing by direct laser ablation creates micro-and nano-scale roughness on materials, resulting in increased surface area and improved surface energy. In particular, micro-and nanotextured surfaces find numerous applications in virus and bacterial repulsion, including the osseo-intergration process in biomedical implants. Laser treatment is one of the most efficient tools for surface texturing, but it can introduce surface oxidation or chemical modifications that cause changes in wettability over time. Despite the significance of these changes, the underlying reasons are not yet fully understood. To gain further insights into these effects, we performed reactive molecular dynamics (RMD) simulations to understand the effect of early oxidation on laser-treated titanium at different temperatures. The obtained results demonstrate that oxide thickness increases with time. Hence, the TiOx layer grows more quickly in the early stages (0-130 ps) than it does in the later stages (130-300 ps). This condition is brought on by an increase in the TiOx layer and a decrease in O2 diffusion. The obtained results are then used in a series of wetting simulations showing that the presence of oxide makes the droplet behavior less hydrophobic in agreement with experimental observations. Interestingly, because oxide layer thickness rises with time, the contact angle drops down with time, thus the calculated early dynamics of titanium surface oxidation correlates well with the early time-evolution of lasertreated surface wettability.
La texturation de surface par ablation laser directe est capable de créer une rugosité à l'échelle micro et nanométrique sur les matériaux, ce qui se traduit par une surface accrue et une énergie de surface modifiée. En particulier, les surfaces micro- et nanotexturées trouvent de nombreuses applications dans la répulsion virale et bactérienne, mais sont également intéressantes pour promouvoir le processus d'ostéo-intégration dans les implants biomédicaux. Le traitement au laser est l'un des outils les plus efficaces pour la texturation de surface, mais il peut introduire une oxydation de surface ou des modifications chimiques qui entraînent des changements de mouillabilité au fil du temps. Malgré l'importance de ces changements, les raisons sous-jacentes ne sont pas encore pleinement comprises. Pour mieux comprendre ces effets, nous avons effectué des simulations de dynamique moléculaire réactive (RMD) pour comprendre l'effet de l'oxydation précoce sur le titane traité au laser à différentes températures. Les résultats obtenus démontrent que l'épaisseur d'oxyde augmente avec le temps. Par conséquent, la couche de TiOx croît plus rapidement dans les premiers stades (0–130 ps) que dans les derniers stades (130–300 ps). Cette condition est provoquée par une augmentation de la couche de TiOx et une diminution de la diffusion d'O2. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés dans une série de simulations de mouillage montrant que la présence d'oxyde rend le comportement des gouttelettes moins hydrophobe en accord avec les observations expérimentales. Fait intéressant, parce que l'épaisseur de la couche d'oxyde augmente avec le temps, l'angle de contact diminue avec le temps, ainsi la dynamique précoce calculée de l'oxydation de la surface du titane est bien corrélée avec l'évolution précoce de la mouillabilité de la surface traitée au laser.
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