▲飛秒激光技術(shù)讓金屬擁有超疏水性能
▲飛秒激光技術(shù)加工的金屬板
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(shù)從光學(xué)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(xì)菌等微生物都能夠得以生存或成長；同時水也是許多化學(xué)反應(yīng)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(xué)光學(xué)院的物理學(xué)家郭春雷（音譯）與同事最新的研究發(fā)現(xiàn)，利用一項叫作飛秒激光的技術(shù)，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?xí)粩鄰椘稹?/p>
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(fā)于美國物理聯(lián)合會1月20日出版的《應(yīng)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(xù)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(yōu)勢在于“激光在金屬上創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是材料表面的一部分。”郭春雷在近期的新聞報道中說，這意味著它們不會被擦掉，并且正是這些結(jié)構(gòu)使得金屬具有超級疏水性能。
據(jù)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(xì)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(jié)構(gòu)。這種納米微結(jié)構(gòu)從根本上改變了金屬表面的光學(xué)性質(zhì)和潤濕性質(zhì)。
特氟龍是一種常規(guī)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(yuǎn)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(jīng)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(yīng)用前景深遠(yuǎn)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(biāo)。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(shù)則從光學(xué)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(chǎn)工藝。
郭春雷認(rèn)為，這種超疏水材料在發(fā)展中國家有著巨大的應(yīng)用潛力。“在這些區(qū)域，收集雨水是至關(guān)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。”郭春雷說，“另一種應(yīng)用是制造使用起來更加清潔和健康的廁所。”
在缺水地區(qū)，保持廁所的清潔是一項挑戰(zhàn)，使用超疏水材料，不必使用水沖刷即可保持廁所清潔。
據(jù)外媒報道，這種應(yīng)用潛力激起了比爾和梅林達·蓋茨基金會的興趣，他們已經(jīng)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(yī)學(xué)成像及外科醫(yī)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(shù)現(xiàn)已是本世紀(jì)最先進的眼科手術(shù)。除此之外，飛秒激光技術(shù)也可被應(yīng)用在固態(tài)物理上，以此分析晶體結(jié)構(gòu)，分析其衍射或者熒光光譜圖。在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，飛秒激光可用于超快現(xiàn)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(shè)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(shù)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(yīng)用變成現(xiàn)實之前仍然有很多挑戰(zhàn)。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(dāng)于一張普通撲克牌大小）的金屬樣板需要1小時的時間。在應(yīng)用到發(fā)展中國家之前，這一生產(chǎn)過程需要規(guī)模化。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(shù)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(shù)擴展到其他材料，比如半導(dǎo)體或者電介質(zhì)。
郭春雷強調(diào)，同一項技術(shù)可以用于制取多功能金屬材料。金屬都是光的優(yōu)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(chuàng)造出能夠吸收幾乎所有光線的納米結(jié)構(gòu)，可讓普通鋁塊變成至今所創(chuàng)造出來的最暗的材料之一。
而將吸光特性與憎水性相結(jié)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(yīng)用還包括更先進的隱身技術(shù)。
延伸閱讀
神奇的飛秒激光技術(shù)
飛秒激光是指時域脈沖寬度在飛秒（10-15秒，相當(dāng)于1秒的一千萬億分之一）量級的激光。據(jù)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(xù)變化的光的組合，利用這段范圍內(nèi)連續(xù)波長光的空間相干來獲得時間上的極大壓縮，從而實現(xiàn)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(xù)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(wǎng)功率相當(dāng)?shù)乃健？上驳氖牵m然產(chǎn)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(qū)動——短脈沖激光器通常利用鎖模技術(shù)來實現(xiàn)，這意味著一旦此工藝經(jīng)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(shù)手段，并已有所應(yīng)用。科學(xué)家預(yù)測飛秒激光將為下個世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。
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