飞秒激光加工银表面的大气驱动润湿性转变机制及其应用研究

为解决银(Ag)表面润湿性在环境暴露下的不稳定性问题，研究人员通过飞秒激光表面处理(FLSP)结合同步接触角测量和电子光谱技术，揭示了Ag表面从超亲水到疏水的转变机制：激光诱导的氧化银(Ag2 O)与大气H2 O/CO2 反应生成碳酸银(Ag2 CO3 )，并进一步吸附碳氢化合物导致疏水化。该研究为调控金属表面润湿性提供了化学路径依据，对抗菌换热器等应用具有重要意义。

　　

金属表面的润湿性调控在抗菌、热交换等领域具有重要应用价值，但传统方法往往面临稳定性差、工艺复杂等问题。飞秒激光表面处理(FLSP)作为一种一步成型的技术，能在金属表面构建多级微纳结构，赋予材料超亲水等极端润湿特性。然而，这种特性在环境暴露下会迅速衰减，例如银(Ag)表面会在数小时内从超亲水转变为疏水状态，严重制约其实际应用。这一现象虽在多种金属中被观察到，但其化学机制尚未明确，特别是大气成分如何逐步改变表面化学状态并最终影响润湿性，成为亟待解决的科学问题。

美国内布拉斯加大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过同步接触角测量与表面敏感电子光谱技术（X射线光电子能谱XPS和俄歇电子能谱AES），首次完整揭示了FLSP处理的Ag表面在大气环境中的动态化学演变路径及其与润湿性的直接关联。

研究采用双脉冲FLSP技术制备银表面，通过扫描电镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)表征形貌，结合时间序列的接触角测量与电子光谱分析，追踪表面化学状态变化。特别关注了不同环境暴露时间下Ag表面氧化态、碳元素化学态及润湿性的协同演变。

物理表征
SEM显示FLSP处理的Ag表面形成高约65μm、纵横比2:1的圆柱状突起结构，算术平均粗糙度达7.3μm，与原始光滑表面（0.12μm）形成鲜明对比。这种多级粗糙结构是产生极端润湿性的物理基础。

润湿性转变机制
XPS和AES数据揭示了三阶段反应路径：(1)FLSP直接氧化表面Ag生成Ag₂
O；(2)Ag₂
O在6小时内与H₂
O/CO₂
反应转化为Ag₂
CO₃
，对应接触角从0°升至90°；(3)后续大气碳氢化合物在Ag₂
CO₃
表面吸附，导致接触角进一步增至120°。C1s谱图中C-C键含量与接触角呈正相关，证实有机物吸附是疏水化的化学驱动力。

讨论与结论
该研究首次建立了FLSP处理Ag表面润湿性转变的完整化学路径模型，阐明大气成分通过分步反应（氧化-碳酸化-有机吸附）逐步改变表面能的过程。这一发现不仅解释了先前观察到的润湿性不稳定性现象，更重要的是为主动调控金属表面润湿性提供了明确的化学干预靶点。例如，通过抑制Ag₂
CO₃
形成或阻断碳氢化合物吸附，可延长超亲水状态的持续时间，这对于需要特定润湿性的应用（如抗菌冷凝换热器）具有重要指导价值。研究采用的表面敏感电子光谱方法也为其他金属的润湿性演变机制研究提供了范式。

论文通讯作者Craig Zuhlke团队指出，该发现将促进FLSP技术在功能性金属表面设计中的精准应用，未来可通过调控激光参数或后处理工艺选择性控制表面化学反应，实现润湿性的长期稳定化。这一突破性进展为开发新一代抗生物污染热交换器、自清洁医疗器械等产品奠定了理论基础。