▲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(zhǎng)；同時(shí)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(huì)以不被察覺(jué)的速度氧化。

不過(guò)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(jī)的機(jī)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(shí)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(chóng)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(jiàn)金屬的身影。不過(guò)，美國(guó)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(xiàng)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(qiáng)，以至于水滴滴在金屬表面不僅不會(huì)散開(kāi)，甚至?xí)粩鄰椘稹?/p>

飛秒激光讓金屬獲超疏水“技能”

這項(xiàng)聽(tīng)來(lái)讓人難以置信的研究刊發(fā)于美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)1月20日出版的《應(yīng)用物理雜志》上。郭春雷研究團(tuán)隊(duì)使用超高能且超短的激光脈沖來(lái)改變金屬的表面，持續(xù)時(shí)間為毫微微秒（即飛秒）量級(jí)。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(shì)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(bào)道中說(shuō)，這意味著它們不會(huì)被擦掉，并且正是這些結(jié)構(gòu)使得金屬具有超級(jí)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(rùn)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(guò)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(gè)表面傾斜到70度，而經(jīng)飛秒激光轟擊過(guò)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(shí)，會(huì)收集并帶走灰塵顆粒。為了測(cè)試材料的自清潔性能，郭春雷團(tuán)隊(duì)將從吸塵器里取出的普通灰塵灑在處理過(guò)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(lèi)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(duì)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(jiǎn)單、有效，有望顛覆未來(lái)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(guó)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(lái)防止水滯留在表面。”郭春雷說(shuō)，“另一種應(yīng)用是制造使用起來(lái)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(xiàng)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(bào)道，這種應(yīng)用潛力激起了比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)的興趣，他們已經(jīng)開(kāi)始支持這項(xiàng)工作。

目前有報(bào)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(jìn)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(yùn)動(dòng)阻力，該項(xiàng)研究對(duì)設(shè)計(jì)高速水上、水下和空中交通工具也具有重要參考價(jià)值。

尚待攻取的技術(shù)高地

和許多實(shí)驗(yàn)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(shí)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?。┑慕饘贅影逍枰?小時(shí)的時(shí)間。在應(yīng)用到發(fā)展中國(guó)家之前，這一生產(chǎn)過(guò)程需要規(guī)?；?。研究人員目前也在尋找在其他非金屬材料上使用此項(xiàng)技術(shù)的方法。

此外，郭春雷團(tuán)隊(duì)目前正計(jì)劃集中精力提高用激光蝕刻表面的速度，同時(shí)研究怎樣將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到其他材料，比如半導(dǎo)體或者電介質(zhì)。

郭春雷強(qiáng)調(diào)，同一項(xiàng)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(lái)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(yáng)能收集器。此外，潛在的應(yīng)用還包括更先進(jìn)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(shí)域脈沖寬度在飛秒（10-15秒，相當(dāng)于1秒的一千萬(wàn)億分之一）量級(jí)的激光。據(jù)了解，飛秒激光不是單色光，而是在中心波長(zhǎng)左右的一段波長(zhǎng)連續(xù)變化的光的組合，利用這段范圍內(nèi)連續(xù)波長(zhǎng)光的空間相干來(lái)獲得時(shí)間上的極大壓縮，從而實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)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(wàn)年。正因?yàn)檫@種飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，輸出飛秒脈沖的功率峰值可以達(dá)到與整個(gè)北美電網(wǎng)功率相當(dāng)?shù)乃??？上驳氖?，雖然產(chǎn)生的激光強(qiáng)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(dòng)——短脈沖激光器通常利用鎖模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意味著一旦此工藝經(jīng)過(guò)改良，操作起來(lái)會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

飛秒激光是人類(lèi)目前在實(shí)驗(yàn)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?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)飛秒激光將為下個(gè)世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。