近日，中國科學(xué)院長春光機(jī)所的楊建軍團(tuán)隊(duì)在金屬防腐領(lǐng)域取得了重要突破。他們通過結(jié)合飛秒激光元素?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)(FLEM)與循環(huán)低溫退火(RLA)技術(shù)，成功在金屬鋁合金表面構(gòu)建了一種以次晶相態(tài)為主導(dǎo)的仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)(BAT)，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動超疏水效果。這一研究成果不僅為金屬防腐提供了新的思路，也為高性能材料表面的設(shè)計(jì)與開發(fā)開辟了新的道路。

創(chuàng)新技術(shù)與結(jié)構(gòu)

楊建軍團(tuán)隊(duì)的研究方法獨(dú)具匠心。他們利用FLEM技術(shù)在鋁合金表面制備出BAT結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有從幾十微米到幾十納米不同尺度的粗糙特征，相比傳統(tǒng)激光加工制備的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，具備更高的毛細(xì)管壓力和較低的粘性阻力，能夠有效阻止外來液滴的滲透。

更重要的是，BAT結(jié)構(gòu)的形成嚴(yán)格依賴于飛秒激光元素?fù)诫s過程，這是傳統(tǒng)激光加工方法所無法實(shí)現(xiàn)的。這種多尺度形貌和蜿蜒曲率特征的BAT結(jié)構(gòu)不僅提升了材料表面的粗糙程度，還增強(qiáng)了對空氣的捕獲與儲存能力，進(jìn)而提高了超疏水的穩(wěn)定性。

卓越性能與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該金屬樣品在長達(dá)2000小時的腐蝕性鹽水浸泡后，其表面依然能夠保持良好的超疏水性能。此外，這種結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能也尤為突出，實(shí)驗(yàn)測得的腐蝕電流低至10^-12A/cm2，較未加工樣品降低了5個數(shù)量級。同時，這種自主性的超疏水金屬表面也能承受住不同酸堿溶液浸泡、紫外輻射和冷凍循環(huán)等多種苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。

為了從理論層面進(jìn)一步驗(yàn)證次晶相態(tài)形成的重要性，楊建軍團(tuán)隊(duì)與沈陽金屬研究所的馬會副研究員團(tuán)隊(duì)攜手合作，運(yùn)用從頭計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，次晶相態(tài)的形成對于材料表面能降低和化學(xué)穩(wěn)定性提升起到了重要貢獻(xiàn)。

次晶相態(tài)的關(guān)鍵作用

通過高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著RLA處理次數(shù)的增加，材料表面涌現(xiàn)出更多細(xì)小的次晶相態(tài)結(jié)構(gòu)。這些次晶結(jié)構(gòu)被非晶態(tài)所分隔，整體呈現(xiàn)次晶-非晶鑲嵌分布模式。隨著次晶相態(tài)形成占比的增加，樣品表面超疏水性能也呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的變化趨勢。

利用VASP分析材料表面能和電荷密度分布的情況，研究人員發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)樣品比次晶相態(tài)樣品的表面能更高，而次晶相態(tài)形成占比的增加則導(dǎo)致表面能逐漸降低。此外，Si元素?fù)诫s還能進(jìn)一步促進(jìn)表面能的降低。

應(yīng)用前景與研究意義

這一研究成果為基于材料表面原子尺度調(diào)控的自主持久超疏水性能探索出了一條全新的道路。它不僅避免了有機(jī)改性劑的缺陷，有效解決了金屬表面極端拒水性持久保持的關(guān)鍵難題，還為超疏水領(lǐng)域開辟了廣闊的前景。

此外，這一突破還為高性能材料表面的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了全新的研究思路。通過精細(xì)調(diào)控材料表面的微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，可以實(shí)現(xiàn)各種特殊功能，如自清潔、防腐蝕、減阻等，為工業(yè)生產(chǎn)和日常生活帶來更多便利和效益。

總之，中國科學(xué)院長春光機(jī)所的這一研究成果不僅展示了飛秒激光技術(shù)在金屬防腐領(lǐng)域的巨大潛力，也為材料科學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷推廣，相信這一成果將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。