超疏水现象在日常生活中很常见。它在自然界中普遍存在,例如荷叶、蝉翼等表面都具有超疏水特性,水滴在这些表面上难以停留,从而表现出自我清洁的效果。
人类借助科技手段也能在金属表面实现超疏水性能,其在自清洁、防腐、减阻和防冰等领域具有重要应用价值,受到国内外研究者广泛关注。但金属表面超疏水性能难以长时间维持成为该项技术推广过程中的难题。
近期,中国科学院长春光机所微纳光子学与材料国际实验室杨建军团队在这方面取得了突破性进展——团队利用飞秒激光技术,在金属上成功制备出无涂层的超疏水表面,其性能可在较长时间内维持稳定,并能经受严苛环境挑战。
新技术突破了哪些关键点?带着问题,记者来到长春光机所,走进微纳光子学与材料国际实验室。
团队成员邹婷婷博士首先向记者展示了技术成果——在一小块方形铝合金表面,经过飞秒激光技术处理过的部分,表现出了超疏水性能,圆圆的水珠在上面轻盈滚动;而未经处理的表面,水滴滴落后立刻就摊开了。
“我们在杨建军老师的带领下,创造性地提出飞秒激光元素掺杂微纳结构与循环低温退火相结合的研究方法,在金属铝合金表面构建了一种以次晶相态为主导的仿生蚁穴状结构,成功实现了高效稳定的自启动超疏水效果。”邹婷婷说。
和其他技术相比,杨建军团队的研究思路另辟蹊径。
其他技术思路以二元协同方式为主,即首先在材料表面制作出微纳米结构,让其具备超疏水性能,然后再刷上涂层。但这种设计在实际腐蚀性环境中(例如海水),很容易发生涂层分解、疏松和剥落等风险,从而引发超疏水化学耐久性的显著下降。
杨建军团队的技术思路摆脱了对涂层的依赖,利用飞秒激光技术将元素掺杂进去,使金属如同“长”出了一层特殊的表面,同时具备超疏水和耐腐蚀性能。
实验测量结果表明,利用新技术制作的金属样品,在经历长达2000小时的腐蚀性盐水浸泡后,其表面依然能够保持良好的超疏水性能。
此外,杨建军团队还与沈阳金属研究所科研团队合作,从理论层面进一步验证了次晶相态形成对于材料表面能降低和化学稳定性提升所起的重要贡献,夯实了技术的理论基础。
科学研究的新思路往往来自瞬间灵感。“多年前,基于国家战略需求,我们承担了相关课题研究。当时,我日思夜想寻找突破口,一次,在机场候机时,新思路忽然而至,我立刻给团队成员打电话,让大家尽快着手准备实验。”杨建军回忆。
从一个想法到付诸实践,再到最终完全把控关键技术,这一过程经历了三四年时间。团队反复实验验证,也遇到很多困难和失败。在杨建军看来,科学研究的过程就像穿越一段幽深晦暗的隧道,充满未知,但对科研人员来说却充满吸引力。他们执着前行,用科技力量驱散迷雾,照亮前路。
该项科研成果解决了超疏水领域的关键问题,为技术应用开辟了广阔前景。论文发表后,引起广泛关注,包括很多汽车制造企业,他们纷纷打来电话咨询并寻求合作。
目前,团队成员共有12人,全部是青年骨干和研究生,平均年龄35岁。“年轻人思维敏捷,实验过程中一直冲在第一线。目前,我们在技术应用上还在继续探索,争取产出更多面向实际、服务实际的成果。”杨建军表示。