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ACS AMI 亮点速递 | 纳秒激光快速制备铝基月尘防护表面

材料

作者：X-MOL 2024-09-05

英文原题：Rapid Fabrication of Antilunar Dust Aluminum Surface by Nanosecond Laser Etching

通讯作者：王卫东，西安电子科技大学；杨湛，苏州大学；唐昶宇，中物院成都科学技术发展中心

作者：Xiao Wang (王晓), Hong Shao (邵虹), Guangyi Zhang (张光义), Haiyan Zhang (张海燕), Junyu Yan (闫俊宇), Yingmin Zhu (朱应敏), Ji Zhang (张骥), Weidong Wang (王卫东)，Zhan Yang (杨湛), Changyu Tang (唐昶宇)

背景介绍

在复杂的月球环境中，月尘极易粘附在月球车、宇航服、热控系统和光学器件等物体表面，并且难以清除，严重威胁航天器的可靠性和宇航员的健康，已成为国际探月任务的主要障碍。因此，发展有效的月尘抑制方法对于探月任务的顺利进行至关重要。不依赖外部能源的被动防尘技术是解决月尘问题的有效途径之一，其主要手段包括构建金属化表面、应用低表面能材料以及微结构设计，以降低表面范德华力或静电力。然而，目前报道的被动防尘表面仍存在制备复杂、效率低下、难以大面积应用等问题，限制了其在工程实践中的应用。此外，灰尘颗粒与固体表面间的粘附模型及作用机制仍缺乏深入研究。

图1. 采用纳秒激光加工铝基防尘表面示意图及防尘测试效果

文章亮点

近日，西安电子科技大学、中国工程物理研究院成都科学技术发展中心、苏州大学和兰州空间技术物理研究所等研究人员合作在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表了多层次微结构在减弱月尘颗粒模拟物在铝基表面粘附性的相关研究。该研究基于纳秒激光刻蚀的方法在铝基表面构筑了不同尺度的微结构，通过原子力显微镜测量了单个月尘颗粒与表面的粘附力，测试结果表明经过纳秒激光刻蚀（线间距80 μm）的铝片（9.58 nN）比原始铝片（20.22 nN）的粘附力下降了52%；利用原位SEM电镜表征了月尘颗粒与表面的动态接触过程，发现纳秒激光刻蚀（线间距80 μm）的铝片与月尘颗粒的接触轮廓仅为3.56 μm，相比于原始铝片（5.73 μm）有明显下降。这两种微观测试方法证实了多层次微观结构的存在有助于减小颗粒与表面之间的粘附力，而减小粘附力的主要原因是多层次微结构的存在减小了接触面积。

图2. CLDS-Tip探针粘附力测试结果：（a）原始铝片表面；（b）纳秒激光刻蚀铝片表面（线间距80 μm）；（c）原位SEM电镜观测系统；CLDS-Tip与（d）原始铝片和（e）纳秒激光刻蚀铝片表面（线间距80 μm）的接触轮廓长度. 图中CLDS-i为月尘模拟物

此外，通过分子动力学模拟定量分析了动态接触过程中接触面积的变化。模拟结果显示，采用线间距80 μm的纳秒激光刻蚀微结构设计能够实现最小接触面积，从而减小粘附力并提高防尘效果。最后，通过宏观翻转法和图像法测试，证实了纳秒激光刻蚀铝基表面在防月尘粘附方面具有显著效果。

图3. 模拟月尘颗粒与表面相互作用的分子动力学模拟（a）动态接触过程；（b）不同模拟表面与模拟月尘颗粒的粘附力；（c）不同表面与颗粒之间的接触面积

总结/展望

此研究通过纳秒激光在铝基表面构筑了多层次微结构，实现了模拟月尘颗粒与铝基表面之间粘附力的显著下降。利用原位SEM及数值模拟手段直观地证实了：多层次微纳结构减少了月尘颗粒与铝基表面之间的接触面积，进而减小了二者之间的粘附力。利用纳秒激光快速、可控、大面积制备铝基防月尘表面，有望为探月工程中的月尘防护提供新技术途径。

相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces国际期刊上，西安电子科技大学、中物院成科中心联合培养博士研究生王晓为文章的第一作者，王卫东教授，唐昶宇研究员和杨湛教授为通讯作者。

通讯作者简介

王卫东教授

王卫东，博士，西安电子科技大学机电工程学院教授、博士生导师，入选国家留学基金委“未来科学家”国际合作项目（2015年）。现任陕西高校青年创新团队负责人，微纳机电系统研究中心主任，西安市智能仪器与封装测试重点实验室副主任，港城大-西电微纳制造联合实验室副主任；IEEE高级会员，中国机械工程学会微纳制造技术分会委员，中国微米纳米技术学会微纳米制造与装备分会理事等。主要从事微纳传感与测试、微纳制造与表征等方面的研究，主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重点实验室基金、装备预研基金和陕西省重点研发计划等课题40余项，在Nature Commnications、Nano-Micro Letters、Microsystems and Nanoengineering、Nano Energy、IEEE TED、IEEE EDL、IEEE JMEMS等国际重要期刊发表100余篇学术论文（Google 学术引用2400余次，H指数27），获得40余项国家专利授权。曾获得陕西高等学校科学技术优秀成果二等奖（排名第一），陕西省机械工程学会科学技术奖二等奖（排名第一）和陕西省电子学会科学技术奖二等奖（排名第一）等。

个人主页：

https://web.xidian.edu.cn/wdwang/

唐昶宇研究员

唐昶宇，博士，中国工程物理研究院成都科技中心研究员，博士生导师，表界面功能材料与装备事业部主任，四川省高层次人才计划专家、四川省杰出青年基金入选者、蓉漂之星；主要从事聚合物纳米复合材料及其增材制造、材料表面功能化改性研究，并发展其在特种装备防护、环境健康保护中的应用。主持参与国家自然基金4项、省部级项目4项，获授权发明专利26件，实现科技成果转化3项；在Environmental Science & Technology、Nano Letters、Small、Journal of Materials Chemistry A等国际期刊上发表SCI论文60余篇，他引2000余次。曾获四川省技术发明二等奖、四川省环境科学学会青年科技奖、双流区卓越人才奖。

杨湛教授

杨湛，博士，苏州大学教授，本科毕业于哈尔滨理工大学自动化系，硕士博士分别于2010年及2013年毕业日本名古屋大学微纳米系统工程系。自2022年以来为苏州大学机器人与微系统研究中心教授。主要研究方向为微纳机器人技术，在IEEE T-RO， IEEE T-MECH， Science Advance上发表100余篇学术论文，主持自然科学基金青年，面上及重点项目，主持863项目子课题及科技部重点研发项目课题等多项项目。于IEEE高级会员，2017-2018,2020-2021被选为IEEE纳米技术委员会管理委员会委员，IEEE TC13 纳米能源绿色与安全技术委员会主席，中国微米纳米技术学会微纳机器人分会秘书长，中国机械工程学会机器人分会委员。

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