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飞秒激光:在工业“腐蚀”方面的应用

金属的氧化腐蚀一度是件让人头疼的事。如何让金属不在岁月中失去光泽?飞秒激光技术从光学手段入手,不但让金属免遭腐蚀,还能将其变成神奇的超疏水材料。 

水是生命之源,哪怕在一些只能算作潮湿的地方,细菌等微生物都能够得以生存或成长;同时水也是许多化学反应所需的基本条件,比如因水的存在,金属会以不被察觉的速度氧化。

不过在许多地方,人们并不希望金属氧化或菌落滋生—比如室外的天线、飞机的机翼、煮饭的锅……人们期待将一些疏水、超疏水材料用在这些地方。  

其实超疏水材料在我们身边比比皆是:“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的荷花、荷叶就是典型的超疏水材料,许多昆虫的足上也有超疏水材料,比如大名鼎鼎的水黾,它们正是靠着“不沾水的腿”,在水面行走如飞。  

在疏水材料家族中,鲜见金属的身影。不过,美国罗切斯特大学光学院的物理学家郭春雷(音译)与同事最新的研究发现,利用一项叫作飞秒激光的技术,他们能够把金属变成比荷花还要疏水的“极疏水材料”。疏水效果之强,以至于水滴滴在金属表面不仅不会散开,甚至会不断弹起。  

这项听来让人难以置信的研究刊发于美国物理联合会1月20日出版的《应用物理杂志》上。郭春雷研究团队使用超高能且超短的激光脉冲来改变金属的表面,持续时间为毫微微秒(即飞秒)量级。他们用这样的超短飞秒脉冲轰击铂、钛、铜3种样品,获得了上述新型的表面材料。  这种工艺的优势在于“激光在金属上创造的结构本质上是材料表面的一部分。”郭春雷在近期的新闻报道中说,这意味着它们不会被擦掉,并且正是这些结构使得金属具有超级疏水性能。 

据研究人员介绍,超能激光脉冲在金属表面刻蚀出大量肉眼不及的诸如洼坑、小珠状和细纹等“痕迹”,这些痕迹形成了密集分布且高低不平的纳米微结构。这种纳米微结构从根本上改变了金属表面的光学性质和润湿性质。 

特氟龙是一种常规疏水材料,常作为“不粘锅”涂层的不二之选。但飞秒激光处理过的金属材料远比特氟龙光滑。水滴从特氟龙涂层表面滚落,需要在水滴滚落之前将这个表面倾斜到70度,而经飞秒激光轰击过的金属,只需要倾斜不到5度甚至不必倾斜,水滴就能从表面滚落。

此外,水滴从超疏水表面反弹的同时,会收集并带走灰尘颗粒。为了测试材料的自清洁性能,郭春雷团队将从吸尘器里取出的普通灰尘洒在处理过的材料表面,只用了3滴水就将约一半的灰尘清除了,使表面一尘不染也只用了十几滴水,而且表面始终保持干燥。

应用前景深远而广泛

金属的氧化腐蚀一度是件让人头疼的事。让金属不被腐蚀,不在岁月中失去光泽,是人类一直追寻的目标。从油漆、合金到纳米涂层,人们不断更新着对金属的疏水手段。而今,飞秒激光技术则从光学角度入手,不但让金属免遭腐蚀,更将之变成神奇的超疏水材料。方法简单、有效,有望颠覆未来疏水材料的生产工艺。

郭春雷认为,这种超疏水材料在发展中国家有着巨大的应用潜力。“在这些区域,收集雨水是至关重要的,使用超疏水材料可以提高效率,而且不再需要使用具有尖角的大漏斗来防止水滞留在表面。”郭春雷说,“另一种应用是制造使用起来更加清洁和健康的厕所。” 

在缺水地区,保持厕所的清洁是一项挑战,使用超疏水材料,不必使用水冲刷即可保持厕所清洁。 

据外媒报道,这种应用潜力激起了比尔和梅林达?盖茨基金会的兴趣,他们已经开始支持这项工作。

目前有报道飞秒激光可以用在聚合物加工、医学成像及外科医疗上。镭射视力矫正(LASIK)可以利用飞秒激光制作角膜瓣。飞秒激光矫治近视手术现已是本世纪最先进的眼科手术。除此之外,飞秒激光技术也可被应用在固态物理上,以此分析晶体结构,分析其衍射或者荧光光谱图。在基础科学研究领域,飞秒激光可用于超快现象的研究。

由于超疏水材料能大幅度降低载具在水中甚至空气中的运动阻力,该项研究对设计高速水上、水下和空中交通工具也具有重要参考价值。

尚待攻取的技术高地

和许多实验室里声名卓著的成果一样,“超疏水金属表面”潜在应用变成现实之前仍然有很多挑战。郭春雷指出,目前处理1平方英寸(约合6.45平方厘米,面积相当于一张普通扑克牌大小)的金属样板需要1小时的时间。在应用到发展中国家之前,这一生产过程需要规模化。研究人员目前也在寻找在其他非金属材料上使用此项技术的方法。 

此外,郭春雷团队目前正计划集中精力提高用激光蚀刻表面的速度,同时研究怎样将这项技术扩展到其他材料,比如半导体或者电介质。

郭春雷强调,同一项技术可以用于制取多功能金属材料。金属都是光的优秀反射体,这就是它们都有光泽的原因,而把金属变暗可以使它们高效地吸光。2006年底,郭春雷和他的研究小组曾用激光束处理金属铝,在金属表面创造出能够吸收几乎所有光线的纳米结构,可让普通铝块变成至今所创造出来的最暗的材料之一。

而将吸光特性与憎水性相结合可以得到不锈蚀且不需要太多清理的更高效的太阳能收集器。此外,潜在的应用还包括更先进的隐身技术。

延伸阅读:神奇的飞秒激光技术

飞秒激光是指时域脉冲宽度在飞秒(10-15秒,相当于1秒的一千万亿分之一)量级的激光。据了解,飞秒激光不是单色光,而是在中心波长左右的一段波长连续变化的光的组合,利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上的极大压缩,从而实现飞秒量级的脉冲输出。

如果1飞秒等同1秒,那么原先的1秒就约为3200万年。正因为这种飞秒激光脉冲持续时间极短,输出飞秒脉冲的功率峰值可以达到与整个北美电网功率相当的水平。可喜的是,虽然产生的激光强度令人难以置信,但飞秒激光器只须用墙壁上的普通电源插座就能驱动—短脉冲激光器通常利用锁模技术来实现,这意味着一旦此工艺经过改良,操作起来会相对简单。

飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段,并已有所应用。科学家预测飞秒激光将为下个世纪新能源的产生发挥重要作用。