层状纳微米结构将普通金属变成超级材料

科学家使用层状纳微米结构将铂、钛和铜的薄片变成了吸光、防水且兼具自净功能的超级材料。

飞秒激光在铂表面刻蚀出的层次结构，在扫描电子显微镜（SEM）下的图示

来源: 郭春雷实验室 / 罗切斯特大学

纽约罗切斯特大学的研究者们用飞秒激光脉冲轰击普通金属而研发出了一种非同寻常的新型表面材料，它可以有效地吸收光能、防水以及自我净化。这种多功能材料可用来制造高耐用、低保养的太阳能集热器和太阳能传感器。

“这是首次使用激光制造出的多功能金属表面材料，该材料具有超疏水（防水）、自我净化以及高吸收等多重功能。”郭春雷说，他是罗切斯特大学光学院的物理学家，与他在罗切斯特大学的同事Anatoliy Vorobyev共同研发出了该新型材料。研究者们在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）中详述了用了激光刻蚀技术制作出该材料的过程。

郭春雷认为，提升材料的光吸收能力会使那些需要收集光能的科技受益，比如太阳能传感器和太阳能器件；而超疏水性则可以使材料的表面防锈、防冰和防生物污损。所有这些特点都会提高器件的耐用性，使之更容易保养。超疏水性还有利于材料表面自我净化，因为不渗透的水滴可以有效地带走表面的灰尘颗粒。

研究者们用持续时间为一千万亿分之一秒量级的超短飞秒脉冲轰击铂，钛，和铜三种样品，从而获得了这种新型的表面材料。“在短暂的轰击中，激光脉冲的峰值能量相当于北美整个电力网的能量总和，”郭春雷说。

这些超能激光脉冲会在金属表面刻蚀出大量的细纹, 密集分布且高低不平的纳米微结构就这样形成了。这种微结构从根本上改变了这三种金属表面的光学性质和润湿性质，将通常情况下反光的金属表面转变成对光高吸收的表面，并使它们具有防水性。

如图所示，水珠从被该技术处理过的样品表面上滑落。

来源：J. Adam Fenster / 罗切斯特大学

大多数商业使用的具有疏水性和高光学吸收性的材料依赖于化学涂层，这些涂层会随着时间降解或者脱落，但对于这种新型材料来说，由激光蚀刻的纳微米结构已经变成了金属表面的固有性质，因此不会随着时间变化。

该新型材料的疏水性甚至可以与众所周知的不粘镀层相媲美。“许多人都知道特氟龙，即聚四氟乙烯（不粘锅的镀层）是一种具有疏水性的表面材料，但是如果你想要让水滴从不粘镀层上滑落，得使表面倾斜近70度角。”郭春雷说，“而我们研发的这种表面材料具有更强的疏水性，只需倾斜几度，水珠就能滑落。”

郭春雷和他的同事在用激光转变材料性质方面拥有多年经验。几年前，他们用激光研发出了一种超亲水性材料，在其表面，水珠甚至会克服重力往上坡处流。“在那之后，我们就想制造出一种与之相反的技术，即使材料的表面防水。”

研究组下一步计划在其他的材料，如超导材料和介电材料上研发出更多的功能。这些多功能特性应该会有更为广泛的应用，比如制作更好的太阳能集热器。

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