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        飛秒激光技術:化“腐蝕”為神奇

        2015-03-10 17:38:52   作者:佚名   來源:據中國科學報   點擊:
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        ??? 金屬的氧化腐蝕一度是件讓人頭疼的事。如何讓金屬不在歲月中失去光澤?飛秒激光技術從光學手段入手,不但讓金屬免遭腐蝕,還能將其變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濕的地方,細菌等微生物都能夠得以生存或成長;同時水也是許多化學反應所需的基本條件,比如因水的存在,金屬會以不被察覺的速度氧化。
        ??? 不過在許多地方,人們并不希望金屬氧化或菌落滋生——比如室外的天線、飛機的機翼、煮飯的鍋……人們期待將一些疏水、超疏水材料用在這些地方。
        ??? 其實超疏水材料在我們身邊比比皆是:“出淤泥而不染,濯清漣而不妖”的荷花、荷葉就是典型的超疏水材料,許多昆蟲的足上也有超疏水材料,比如大名鼎鼎的水黽,它們正是靠著“不沾水的腿”,在水面行走如飛。
        ??? 在疏水材料家族中,鮮見金屬的身影。不過,美國羅切斯特大學光學院的物理學家郭春雷(音譯)與同事最新的研究發現,利用一項叫作飛秒激光的技術,他們能夠把金屬變成比荷花還要疏水的“極疏水材料”。疏水效果之強,以至于水滴滴在金屬表面不僅不會散開,甚至會不斷彈起。

        飛秒激光讓金屬獲超疏水“技能”

        ??? 這項聽來讓人難以置信的研究刊發于美國物理聯合會1月20日出版的《應用物理雜志》上。郭春雷研究團隊使用超高能且超短的激光脈沖來改變金屬的表面,持續時間為毫微微秒(即飛秒)量級。他們用這樣的超短飛秒脈沖轟擊鉑、鈦、銅3種樣品,獲得了上述新型的表面材料。
        ??? 這種工藝的優勢在于“激光在金屬上創造的結構本質上是材料表面的一部分?!惫豪自诮诘男侣剤蟮乐姓f,這意味著它們不會被擦掉,并且正是這些結構使得金屬具有超級疏水性能。
        ??? 據研究人員介紹,超能激光脈沖在金屬表面刻蝕出大量肉眼不及的諸如洼坑、小珠狀和細紋等“痕跡”,這些痕跡形成了密集分布且高低不平的納米微結構。這種納米微結構從根本上改變了金屬表面的光學性質和潤濕性質。
        ??? 特氟龍是一種常規疏水材料,常作為“不粘鍋”涂層的不二之選。但飛秒激光處理過的金屬材料遠比特氟龍光滑。水滴從特氟龍涂層表面滾落,需要在水滴滾落之前將這個表面傾斜到70度,而經飛秒激光轟擊過的金屬,只需要傾斜不到5度甚至不必傾斜,水滴就能從表面滾落。
        ??? 此外,水滴從超疏水表面反彈的同時,會收集并帶走灰塵顆粒。為了測試材料的自清潔性能,郭春雷團隊將從吸塵器里取出的普通灰塵灑在處理過的材料表面,只用了3滴水就將約一半的灰塵清除了,使表面一塵不染也只用了十幾滴水,而且表面始終保持干燥。

        應用前景深遠而廣泛

        ??? 金屬的氧化腐蝕一度是件讓人頭疼的事。讓金屬不被腐蝕,不在歲月中失去光澤,是人類一直追尋的目標。從油漆、合金到納米涂層,人們不斷更新著對金屬的疏水手段。而今,飛秒激光技術則從光學角度入手,不但讓金屬免遭腐蝕,更將之變成神奇的超疏水材料。方法簡單、有效,有望顛覆未來疏水材料的生產工藝。
        ??? 郭春雷認為,這種超疏水材料在發展中國家有著巨大的應用潛力?!霸谶@些區域,收集雨水是至關重要的,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來防止水滯留在表面?!惫豪渍f,“另一種應用是制造使用起來更加清潔和健康的廁所?!?br>??? 在缺水地區,保持廁所的清潔是一項挑戰,使用超疏水材料,不必使用水沖刷即可保持廁所清潔。
        據外媒報道,這種應用潛力激起了比爾和梅林達·蓋茨基金會的興趣,他們已經開始支持這項工作。
        ??? 目前有報道飛秒激光可以用在聚合物加工、醫學成像及外科醫療上。鐳射視力矯正(LASIK)可以利用飛秒激光制作角膜瓣。飛秒激光矯治近視手術現已是本世紀最先進的眼科手術。除此之外,飛秒激光技術也可被應用在固態物理上,以此分析晶體結構,分析其衍射或者熒光光譜圖。在基礎科學研究領域,飛秒激光可用于超快現象的研究。
        ??? 由于超疏水材料能大幅度降低載具在水中甚至空氣中的運動阻力,該項研究對設計高速水上、水下和空中交通工具也具有重要參考價值。

        尚待攻取的技術高地

        ??? 和許多實驗室里聲名卓著的成果一樣,“超疏水金屬表面”潛在應用變成現實之前仍然有很多挑戰。郭春雷指出,目前處理1平方英寸(約合6.45平方厘米,面積相當于一張普通撲克牌大?。┑慕饘贅影逍枰?小時的時間。在應用到發展中國家之前,這一生產過程需要規?;?。研究人員目前也在尋找在其他非金屬材料上使用此項技術的方法。
        ??? 此外,郭春雷團隊目前正計劃集中精力提高用激光蝕刻表面的速度,同時研究怎樣將這項技術擴展到其他材料,比如半導體或者電介質。
        ??? 郭春雷強調,同一項技術可以用于制取多功能金屬材料。金屬都是光的優秀反射體,這就是它們都有光澤的原因,而把金屬變暗可以使它們高效地吸光。2006年底,郭春雷和他的研究小組曾用激光束處理金屬鋁,在金屬表面創造出能夠吸收幾乎所有光線的納米結構,可讓普通鋁塊變成至今所創造出來的最暗的材料之一。
        ??? 而將吸光特性與憎水性相結合可以得到不銹蝕且不需要太多清理的更高效的太陽能收集器。此外,潛在的應用還包括更先進的隱身技術。

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        延伸閱讀:

        神奇的飛秒激光技術

        ??? 飛秒激光是指時域脈沖寬度在飛秒(10-15秒,相當于1秒的一千萬億分之一)量級的激光。據了解,飛秒激光不是單色光,而是在中心波長左右的一段波長連續變化的光的組合,利用這段范圍內連續波長光的空間相干來獲得時間上的極大壓縮,從而實現飛秒量級的脈沖輸出。
        ??? 如果1飛秒等同1秒,那么原先的1秒就約為3200萬年。正因為這種飛秒激光脈沖持續時間極短,輸出飛秒脈沖的功率峰值可以達到與整個北美電網功率相當的水平??上驳氖?,雖然產生的激光強度令人難以置信,但飛秒激光器只須用墻壁上的普通電源插座就能驅動——短脈沖激光器通常利用鎖模技術來實現,這意味著一旦此工藝經過改良,操作起來會相對簡單。
        ??? 飛秒激光是人類目前在實驗室條件下所能獲得最短脈沖的技術手段,并已有所應用??茖W家預測飛秒激光將為下個世紀新能源的產生發揮重要作用。

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