尺寸較小的微米和納米結(jié)構(gòu)在材料的表面是肉眼看不見(jiàn)的，但在決定材料的物理，化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)性能上發(fā)揮了重要作用。
在過(guò)去的幾年中，Chunlei Guo和他的研究團(tuán)隊(duì)在羅切斯特大學(xué)發(fā)現(xiàn)了通過(guò)照射激光脈沖在材料表面可對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工操作的方法。通過(guò)這種方法，他們已經(jīng)改變了材料的性質(zhì)，使他們呈現(xiàn)排水吸水的特性，并在沒(méi)有任何類(lèi)型的涂層情況下吸收大量的光。
如今Guo，Anatoliy Vorobyev，Ranran Fang作為大學(xué)的光學(xué)研究所的研究人員，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有了更進(jìn)一步的研究。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，第一次，觀察到材料表面的微觀和納米結(jié)構(gòu)的形成，無(wú)論是在激光脈沖的應(yīng)用程序使用期間和還是之后的完整的演變。
Guo說(shuō)：“在我們確定我們可以通過(guò)在它的表面創(chuàng)造微小結(jié)構(gòu)來(lái)徹底改變材料的特性之后，接下來(lái)的自然步驟就是了解這些微小的結(jié)構(gòu)是如何形成的。這是非常重要的，因?yàn)楫?dāng)你了解它們是如何形成的，你就可以更好地控制它們。”
了解了這種控制將可以用于實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的改進(jìn)方法，包括防腐建材、減震器、燃料電池、太空望遠(yuǎn)鏡、飛機(jī)除冰、醫(yī)療器械以及改善第三世界國(guó)家的衛(wèi)生情況。
在《自然》雜志旗下的《科學(xué)與應(yīng)用》雜志上發(fā)表的一篇論文中，該組織介紹了一種散射光成像技術(shù)，使他們能夠記錄一種超快的激光照射材料表面的方法。在技術(shù)上打開(kāi)一個(gè)觀察整個(gè)過(guò)程的窗口，如利用激光讓材料熔化，使其表面瞬態(tài)波動(dòng)，制作永久性的微型和納米結(jié)構(gòu)等。
制作一個(gè)一英寸乘一英寸的金屬模式樣品，需要大約一個(gè)小時(shí)。確定微觀和納米結(jié)構(gòu)的形式，可以讓科學(xué)家能夠簡(jiǎn)化這些結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，包括加快表面圖案制作的速度和效率。
創(chuàng)建和改變這些小的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料的部分特性性質(zhì)，并減少臨時(shí)化學(xué)涂層的需要。
為了產(chǎn)生這些效應(yīng)，研究人員使用飛秒激光器。這是一種可以產(chǎn)生了一個(gè)超快速激光脈沖的激光器，其產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間為幾十飛秒。（一飛秒等于萬(wàn)億分之一秒。）
改變激光的條件會(huì)導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征的變化，如它們的幾何形狀，大小和密度，導(dǎo)致材料表現(xiàn)出各種特定的物理性質(zhì)。
我們很難獲得在微米納米尺寸的整個(gè)過(guò)程的詳細(xì)的圖像和事件發(fā)生情況，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在飛秒，皮秒（一兆分之一秒的），和納秒（一秒的十億分之一）時(shí)間尺度。
換一種角度來(lái)看，Vorobyev解釋說(shuō)，光從地球旅行到月球它需要大約一秒鐘的時(shí)間。然而，光只在一納秒內(nèi)只會(huì)走大約一步距離，一飛秒可走約0.3微米，這一個(gè)距離相當(dāng)于病毒或細(xì)菌的直徑，僅約1英尺。
典型的攝像機(jī)以每秒五到30幀的速度記錄一系列圖像。但在實(shí)時(shí)播放一系列圖像時(shí)，人眼感知的是連續(xù)運(yùn)動(dòng)而不是一系列獨(dú)立的幀。
Guo的研究團(tuán)隊(duì)是如何能夠在飛秒，皮秒和納秒時(shí)間間隔內(nèi)記錄的呢？他們使用了一種技術(shù)，涉及散射光。飛秒激光脈沖時(shí)，光束一分為二：一個(gè)泵浦光束旨在為物質(zhì)目標(biāo)造成微-納米結(jié)構(gòu)的變化，和第二探針束作為一個(gè)閃光燈照亮的過(guò)程，并由CCD攝像頭這種高分辨能力高度敏感的成像裝置進(jìn)行記錄成像。
“我們非常努力地開(kāi)發(fā)這種新技術(shù)，”Guo說(shuō)。“隨著散射光脈沖在飛秒時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行傳輸，我們可以捕捉到非常小的變化，以極快的速度。從這些圖像，我們可以清楚地看到結(jié)構(gòu)是如何開(kāi)始形成的。”
Guo解釋說(shuō)，這種散射光的可視化技術(shù)可以捕捉任何發(fā)生在一分鐘內(nèi)時(shí)間規(guī)模的過(guò)程。我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)不一定只限于研究在我實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所具有的材料表面效應(yīng)，我們這項(xiàng)工作的研究基礎(chǔ)對(duì)于超快材料表面的微小變化都是非常重要的。”這包括研究熔融，結(jié)晶，流體動(dòng)力學(xué)，甚至細(xì)胞的活動(dòng)等。
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