مقالۀ پژوهشی: کاشت یون هلیوم در پلی‌اتیلن و پلی‌استایرن به منظور بهبود آبدوستی سطوح

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد، دانشکده فیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده فیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 استاد، آزمایشگاه پژوهشی ابرمواد، دانشکده فیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

آبدوستی یکی از ویژگی‌های لازم برای مواد زیست‌سازگار است که آن‌ها را برای قرار‌گرفتن در محیط بدن مناسب می‌سازد.  در این پژوهش تاثیر کاشت یون هلیوم  ()  در میزان بهبود آبدوستی سطح پلیمرهای پلی­اتیلن و پلی­استایرن مطالعه شد. باریکه­ هلیوم یک بار مثبت با جریانی حدود ۱۰μA و انرژی keV ۱۰ که توسط شتابدهنده­ی دانشکده فیزیک دانشگاه تهران تولید شد،  مورد استفاده قرار گرفت. نمونه­‌ها تحت دو زاویه ° ۴۵  و ° ۹۰  نسبت به سطح نمونه توسط باریکه بمباران شدند. نتایج تجربی نشان داد که تغییر زاویه تاثیر چشمگیری بر روی ویژگی­های آبدوستی ندارد. کاشت یون با انباشت متغیر بین  روشن ساخت که می­توان در این بازه­ انباشت زاویه آبدوستی پلی‌اتیلن را تا ۱۴ درجه و پلی‌استایرن را تا ۱۶ درجه کاهش داد. تاثیر کاشت یون بر زبری سطح نیز مطالعه شد. زبری گزارش شده برای هر نمونه متوسط تقریبا ۳۰ اندازه­گیری است. مشخص گردید که نمونه‌های پلی­اتیلن و پلی­استایرن از این جهت رفتاری متضاد دارند. به طور متوسط در نمونه­‌های پلی­اتیلن،  nm ۳۲ کاهش زبری، و در نمونه های پلی استایرن با nm ۳۳ افزایش زبری مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Research Paper: Implantation of Helium in Polyethylene and Polystyrene to Improve Wettability of Surfaces

نویسندگان [English]

  • Parisa Ahmadi 1
  • Masoud Mahjour-Shafiei 2
  • Mohammad Reza Mohammadizadeh 3
1 M. Sc. Graduated, Department of Physics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Physics, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Professor, Supermaterials Research Lab. (SRL), Department of Physics, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Hydrophilicity is one of the essential properties of biocompatible materials to be placed in the body environment. In this research, improvement in hydrophilicity of the surfaces of polyethylene and polystyrene samples with implantation of helium ion was studied. A 10 µA helium ion beam with an energy of 10 keV delivered by the department of physics university of Tehran’s electrostatic accelerator was used. The samples were bombarded with a beam at two angles of 45° and 90° relative to the surface of the sample. No remarkable difference was observed in the hydrophilicity of the samples bombarded with the two mentioned above angles. Implantation was performed with various fluences in the range of  . A variation of the fluence revealed that the contact angle may be reduced 14 and 16 degrees for polyethylene and polystyrene samples, respectively. The surface roughness of the samples was measured before and after ion implantation with an atomic force microscope (AFM). The reported roughness for each sample is the average of 30 measurements. It was observed that ion implantation has the opposite impact on the surface roughness of polyethylene and polystyrene. On average, the surface roughness of polyethylene samples decreased 32 nm, in contrast to the polystyrene roughness, which increased 33 nm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biocompatible Materials
  • Ion Implantation in Polymer
  • Contact Angle
  • Beam Energy
  • Ion Accumulation Per Unit Area
[1] Jagielski, J., A. Piatkowska, P. Aubert, L. Thomé, A. Turos, and A. Abdul Kader. "Ion implantation for surface modification of biomaterials." Surface and Coatings technology, 200, 6355- 6361, 2006.
[2] Mändl, S., and B. Rauschenbach. "Improving the biocompatibility of medical implants with plasma immersion ion implantation." Surface and Coatings Technology, 156, 276-283, 2002.
[3] Ong, J. L., Mark R. Appleford, and Gopinath Mani. Introduction to biomaterials: basic theory with engineering applications. Cambridge University Press, 2014.
[4] Wise, Donald L., Debra J. Trantolo, David E. Altobelli, Michael J. Yaszemski, and Joseph D. Gresser, eds. Human biomaterials applications. Springer Science & Business Media, 2013.
[5] Neděla, Oldřich, Petr Slepička, and Václav Švorčík. "Surface modification of polymer substrates for biomedical applications." Materials, 10, 1115, 2017.
[6] Kondyurin, Alexey, and Marcela Bilek. Ion beam treatment of polymers: application aspects from medicine to space. Newnes, 2014.
[7] Grant, William A., ed. Surface Modification of Metals by Ion Beams: Proceedings of the International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams, Elsevier Applied Science, 1987.
[8] Fink, Dietmar, ed. Fundamentals of ion-irradiated polymers. Springer Science & Business Media, 2004.
[9] S.Sh. Salimi, M. Mahjour-Shafiei, and M. Yarmohammadi Satri. "Investigation on the degree of dissociation of Hydrogen plasma in PIG ion source via optical emission spectroscopy." The 25th International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, 240, 2018.
[10] Mahjour-Shafiei, M., H. Noori, and A. H. Ranjbar. "Influence of magnetic field on the electric breakdown in penning ion source." Review of Scientific Instruments 82, 11, 113502, 2011.
[11] Rafieian Najaf Abadi, Mahdi, and Masoud Mahjour-Shafiei. "Dependence of emittance of the He+ beam extracted from a Penning ion source on the design of the source, a Particle-In-Cell simulation." Review of Scientific Instruments 92, 12, 123501, 2021.
[12] Iordanova, S., I. Koleva, and Ts Paunska. "Hydrogen degree of dissociation in a low-pressure tandem plasma source." Spectroscopy Letters 44, 1, 8-16, 2011.
[13] Yedji, Mourad, and G. G. Ross. "Effect of electric charge accumulation on low energy ion implantation in insulators." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 230, 1-4, 386-390, 2005.
[14] Kondyurin, A., B. K. Gan, M. M. M. Bilek, D. R. McKenzie, K. Mizuno, and R. Wuhrer. "Argon plasma immersion ion implantation of polystyrene films." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 266, no. 7, 1074-1084, 2008.
[15] Shi, Xiaofeng, Shixiang Lu, and Wenguo Xu. "Fabrication of CuZn5–ZnO–CuO micro–nano binary superhydrophobic surfaces of Cassie–Baxter and Gecko model on zinc substrates." Materials Chemistry and Physics 134, no. 2-3, 657-663, 2012.
[16] Kurzina, I. A., et al. "Surface property modification of biocompatible material based on polylactic acid by ion implantation." Surface and Coatings Technology 388, 125529, 2020.
[17] Kondyurin, A., V. Karmanov, and R. Guenzel. "Plasma immersion ion implantation of polyethylene." Vacuum 64(2), 105-111, 2001.