CONTROL OF METAL SURFACES MACHINED IN ACCORDANCE WITH THE DIAMOND NANOMACHINING TECHNOLOGY BASED ON THE ELECTRON WORK FUNCTION

Dimensional machining technology is based on the use of integrated geometric parameters of machined surfaces. Technological impact of a pick results in oxidation processes and changes in physic-chemical parameters of surface. Control of only geometric parameters is insufficient to describe characteristics of machining and formation of ultra-smooth surfaces. The electron work function is therefore used. The aim of the work was to study electrophysical states of optic surfaces of non-ferrous metals and alloys in relation to geometric and physic-chemical parameters according to the distribution of the electron work function over the surface. We conducted the study on experimental metal samples made of copper and aluminum alloy, machined in accordance with the diamond nanomachining technology. The diamond nanomachining technology would be capable of ensuring the roughness of non-ferrous metals and alloys machined at the level of Ra ≤ 0,005 µm. Modernized Kelvin probe was used as the registration technique of the changes of the electron work function over the surface. Dependence between the electron work function value, as well as its alteration and the physicchemical and geometric parameters of a surface has been determined. It has been shown that the diamond nanomachining technology makes it possible to obtain electro-physically uniform optical surfaces on copper and aluminum alloy with the minimal range of the distribution of the electric potential over the surface

КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБРАБОТАННЫХ АЛМАЗНЫМ НАНОТОЧЕНИЕМ, ПО РАБОТЕ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

Dimensional machining technology is based on the use of integrated geometric parameters of machined surfaces. Technological impact of a pick results in oxidation processes and changes in physic-chemical parameters of surface. Control of only geometric parameters is insufficient to describe characteristics of machining and formation of ultra-smooth surfaces. The electron work function is therefore used. The aim of the work was to study electrophysical states of optic surfaces of non-ferrous metals and alloys in relation to geometric and physic-chemical parameters according to the distribution of the electron work function over the surface. We conducted the study on experimental metal samples made of copper and aluminum alloy, machined in accordance with the diamond nanomachining technology. The diamond nanomachining technology would be capable of ensuring the roughness of non-ferrous metals and alloys machined at the level of Ra ≤ 0,005 µm. Modernized Kelvin probe was used as the registration technique of the changes of the electron work function over the surface. Dependence between the electron work function value, as well as its alteration and the physicchemical and geometric parameters of a surface has been determined. It has been shown that the diamond nanomachining technology makes it possible to obtain electro-physically uniform optical surfaces on copper and aluminum alloy with the minimal range of the distribution of the electric potential over the surface. Технология размерной обработки резанием базируется на использовании интегральных геометрических параметров поверхности твердого тела. Технологическое воздействие резца приводит к процессам окисления и изменению физико-химических параметров поверхности. Для описания характеристик обработки и формирования сверхгладких поверхностей контроль геометрических параметров оказывается недостаточным. Поэтому используется параметр работа выхода электрона. Целью работы являлось исследование электрофизического состояния оптических поверхностей цветных металлов и сплавов в совокупности с геометрическими и физико-химическими параметрами по распределению работы выхода электрона поверхности. Исследование проводилось на экспериментальных образцах из меди и алюминиевого сплава, обработанных по технологии алмазного наноточения. Технология алмазного наноточения позволяет обеспечить шероховатость обработки цветных металлов и сплавов на уровне Ra ≤ 0,005 мкм. В качестве метода регистрации изменений по поверхности работы выхода электрона использовался модернизированный зонд Кельвина. Определена зависимость величины работы выхода электрона и ее изменение от физико-химических и геометрических параметров поверхности. Показано, что технология алмазного наноточения позволяет получать элетрофизически однородные оптические поверхности на меди и алюминиевом сплаве с минимальным разбросом распределения по поверхности электропотенциала.

Совершенствование технологии изготовления и контроля качества зеркал-отражателей из алюминиевого сплава

At present, the technology of diamond blade whetting with nano-sized roughness is widely used at the manufaсturing of metal-optical products, first of all, mirror-reflectors for “transportation” of powerful laser energy flows. Optimum material for mirror-reflectors is an aluminum alloy AMg2, which surface purity, is affected by the quality of preliminary mechanical heat treatment during superfinishing treatment by diamond whetting.Preliminary machining of the surface with a carbide cutter and finishing with a diamond cutter (with a radius of curvature of the blade less than 0.05 μm) were performed on a precision lathe of the MK 6501 model with a vertical spindle position on an air bearing. Thermal treatment was carried out in the laboratory electric furnace SNOL 58/350. Various modes of preliminary heat treatment, machining with a carbide cutter and finishing with a diamond cutter of substrates (20×20×7 mm3) were tested. The surface state analysis was carried out using the PMT-3 microhardness tester, the SolverPro P47 atomic-force microscope (AFM), and the experimental probe-electrometry device. The control of the electrophysical parameters of the surface was carried out by recording the distribution of the electron work function (RWF) by the contact potential difference with the processing by the microprocessor measuring transducer of electrostatic potentials. The recorded changes in the RWF characterize the physic-chemical and mechanical parameters of the surface of mirrors and indicate the presence of a different type and nature of defects.Modified preliminary mechanical-thermal treatment allowed to improve the cleanliness of surface treatment of substrates. Finishing nanoscale diamond blade processing, including the complete removal of the surface layer that was disturbed by previous operations, bring to the greatest possible improvement in the quality of the surface in terms of the uniformity of the distribution of its electrophysical properties. As a result, according to the values and changes of the RWF, achievement of the specified performance characteristics of the product surface was monitored in order to optimize the technological processing modes in accordance with the functional designations of the devices.The methods for increasing the efficiency of nanoscale diamond blade processing and performing researches of the electrophysical properties of the surface to control defects in the manufacture of metal reflector mirrors with high reflectivity and radiation strength for operation under extreme conditions.В настоящее время технология алмазного лезвийного точения с наноразмерной шероховатостью широко используется при изготовлении металлооптических изделий, прежде всего зеркал-отражателей для «транcпортировки» мощных лазерных энергетических потоков. Оптимальным материалом для зеркал-отражателей представляется алюминиевый сплав АМг2, на чистоту поверхности которого при суперфинишной обработке алмазным точением влияет качество предварительной механо-термической обработки. Целью работы являлось улучшение оптических характеристик зеркал-отражателей с высокой лучевой прочностью путем совершенствования технологии изготовления и контроля качества.Предварительная механическая обработка поверхности твердосплавным резцом и финишная обработка алмазным резцом (с радиусом закругления лезвия менее 0,05 мкм) проводились на прецизионном токарном станке модели МК 6501 с вертикальным расположением шпинделя на воздушном подшипнике. Термическая обработка осуществлялась в лабораторной электропечи марки SNOL 58/350. Были апробированы различные режимы предварительной термической обработки, обработки твердосплавным резцом и финишной обработки алмазным резцом подложек (20×20×7 мм3). Анализ состояния поверхности проводился с использованием микротвердомера ПМТ-3, атомно-силового микроскопа (АСМ) SolverPro P47 и экспериментальной установки зондовой электрометрии. Контроль электрофизических параметров поверхности осуществлялся путем регистрации распределения работы выхода электрона (РВЭ) по контактной разности потенциалов с обработкой микропроцессорным измерительным преобразователем электростатических потенциалов. Регистрируемые изменения РВЭ характеризуют физико-химические и механические параметры поверхности зеркал и указывают на наличие различного типа и природы дефектов.Модифицированная предварительная механо-термическая обработка позволила улучшить чистоту обработки поверхности подложек. Финишная наноразмерная алмазная лезвийная обработка, включающая полное удаление нарушенного предыдущими операциями поверхностного слоя материала, приводила к максимально возможному повышению качества поверхности по параметру однородности распределения ее электрофизических свойств. В результате по значениям РВЭ и их изменениям контролировалось достижение заданных эксплуатационных характеристик поверхности изделий для оптимизации технологических режимов обработки в соответствии с функциональными назначениями формируемых приборов и устройств.Разработаны методики повышения эффективности наноразмерной алмазной лезвийной обработки и проведения исследований электрофизических свойств поверхности по контролю дефектов при изготовлении металлических зеркал-отражателей с высокой отражательной способностью и лучевой прочностью для работы в экстремальных условиях

Removal and Reconstitution of the Carotenoid Antenna of Xanthorhodopsin

Salinixanthin, a C40-carotenoid acyl glycoside, serves as a light-harvesting antenna in the retinal-based proton pump xanthorhodopsin of Salinibacter ruber. In the crystallographic structure of this protein, the conjugated chain of salinixanthin is located at the protein–lipid boundary and interacts with residues of helices E and F. Its ring, with a 4-keto group, is rotated relative to the plane of the π-system of the carotenoid polyene chain and immobilized in a binding site near the β-ionone retinal ring. We show here that the carotenoid can be removed by oxidation with ammonium persulfate, with little effect on the other chromophore, retinal. The characteristic CD bands attributed to bound salinixanthin are now absent. The kinetics of the photocycle is only slightly perturbed, showing a 1.5-fold decrease in the overall turnover rate. The carotenoid-free protein can be reconstituted with salinixanthin extracted from the cell membrane of S. ruber. Reconstitution is accompanied by restoration of the characteristic vibronic structure of the absorption spectrum of the antenna carotenoid, its chirality, and the excited-state energy transfer to the retinal. Minor modification of salinixanthin, by reducing the carbonyl C=O double bond in the ring to a C-OH, suppresses its binding to the protein and eliminates the antenna function. This indicates that the presence of the 4-keto group is critical for carotenoid binding and efficient energy transfer

АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ИСХОДНЫХ ПОДЛОЖЕК АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА КЕЛЬВИНА

Currently, the use of probe electrometry in non-destructive testing is constrained by the complexity of measurement results interpretation. An output signal of electrometric probe depends on a number of physical and chemical parameters of surface including chemical composition variations, stresses, dislocations, crystallographic orientation of a surface, etc. The study aims to the use of probe electrometry methods for nondestructive testing and analysis of precision metal surfaces’ defects after different treatment or processing.Control of surface defects of aluminum and its alloys was performed with a scanning Kelvin probe technique. The results of scanning were plotted in a form of contact potential difference (CPD) distribution map. Additionally, a histogram of CPD values distribution and statistical characteristics including the expectation of CPD mean value and histogram half-width were calculated either for the whole distribution or for each individual mode in a case of multimodal distribution.The spatial CPD distribution of A99 aluminum and AMG-2 alloy surfaces after electrochemical polishing and diamond finishing was studied. An additional study was held for AMG-2 surface after the formation of 30 microns thick specific nanostructured alumina oxide surface layer. Higher quality surfaces have characterized as more homogeneous distribution of the physical properties (at half-width distribution histogram). Surfaces with higher mechanical strength and overall better mechanical properties found to have lower CPD values that correspond to higher electron work function and surface energy. The presence of the second mode in the CPD distribution histogram indicates the significant proportion of defect areas on the sample surface.Analysis of visualized CPD distribution maps using defined criteria allows detecting and characterizing such defects as residual stress areas, areas with reduced microhardness, surface contamination spots, corrosion defects. This provides the possibility of rapid nondestructive testing and diagnostic of precision metal surfaces, in particular the starting substrates for sensitive elements and sensory devices manufacture. В настоящее время использование методов зондовой электрометрии в неразрушающем контроле сдерживается сложностью интерпретации результатов измерений, что связано с многофакторностью измерительного сигнала, зависящего от большого количества параметров физико-химического состояния поверхности: отклонений химического состава, механических напряжений, дислокаций, кристаллографической ориентации поверхности и др. Целью исследования являлось применение методов зондовой электрометрии для неразрушающего контроля и анализа дефектов прецизионных металлических поверхностей, полученных различными видами обработки.Методика экспериментальных исследований включала в себя построение визуализированного изображения пространственного распределения контактной разности потенциалов (КРП) по поверхности образцов методом сканирующего зонда Кельвина, построение гистограммы распределения значений КРП и определение статистических характеристик распределения, таких как математическое ожидание значений КРП и полуширина гистограммы распределения (для каждой моды при многомодальном распределении)Исследовано пространственное распределение КРП исходных подложек из алюминия А99 и сплава АМГ-2 после обработки поверхностей электрохимической полировкой и алмазным наноточением, а также после формирования на подготовленной поверхности слоя специфического наноструктурированного оксида алюминия толщиной 30 мкм. Более высоким качеством обладают поверхности, характеризующиеся меньшей полушириной гистограммы распределения. Наибольшей механической прочностью и в целом лучшими механическими свойствами при прочих равных условиях обладают поверхности с наиболее низкими значениями контактной разности потенциалов, что соответствует наибольшим значениями работы выхода электрона и поверхностной энергии. Наличие второй моды в гистограмме распределения значений контактной разности потенциалов указывает на наличие значимых по площади дефектных областей на соответствующей поверхности образца.Экспериментально показано, что анализ визуализированных изображений пространственного распределения КРП с использованием данных критериев позволяет выявлять и характеризовать такие дефекты, как места концентрации остаточных механических напряжений, участки с пониженной микротвердостью поверхности, загрязнения, коррозионные дефекты. Тем самым обеспечивается возможность оперативного неразрушающего контроля и диагностики функциональных характеристик прецизионных поверхностей металлов, в частности, исходных подложек для изготовления чувствительных элементов устройств сенсорики

ANALYSIS OF SURFACE DEFECTS OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS WITH A SCANNING KELVIN PROBE

Currently, the use of probe electrometry in non-destructive testing is constrained by the complexity of measurement results interpretation. An output signal of electrometric probe depends on a number of physical and chemical parameters of surface including chemical composition variations, stresses, dislocations, crystallographic orientation of a surface, etc. The study aims to the use of probe electrometry methods for nondestructive testing and analysis of precision metal surfaces’ defects after different treatment or processing.Control of surface defects of aluminum and its alloys was performed with a scanning Kelvin probe technique. The results of scanning were plotted in a form of contact potential difference (CPD) distribution map. Additionally, a histogram of CPD values distribution and statistical characteristics including the expectation of CPD mean value and histogram half-width were calculated either for the whole distribution or for each individual mode in a case of multimodal distribution.The spatial CPD distribution of A99 aluminum and AMG-2 alloy surfaces after electrochemical polishing and diamond finishing was studied. An additional study was held for AMG-2 surface after the formation of 30 microns thick specific nanostructured alumina oxide surface layer. Higher quality surfaces have characterized as more homogeneous distribution of the physical properties (at half-width distribution histogram). Surfaces with higher mechanical strength and overall better mechanical properties found to have lower CPD values that correspond to higher electron work function and surface energy. The presence of the second mode in the CPD distribution histogram indicates the significant proportion of defect areas on the sample surface.Analysis of visualized CPD distribution maps using defined criteria allows detecting and characterizing such defects as residual stress areas, areas with reduced microhardness, surface contamination spots, corrosion defects. This provides the possibility of rapid nondestructive testing and diagnostic of precision metal surfaces, in particular the starting substrates for sensitive elements and sensory devices manufacture