[论文解读] Multiscale ultrafast laser texturing of marble for reduced surface wetting

Rocío Ariza, Miguel Álvarez-Alegría+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Laser Material Processing Techniques参考文献 52被引用 17

一句话总结

本研究证明，对Crema-Marfil Coto大理石进行多尺度超快激光纹理处理，可通过微纳粗糙度的协同作用及表面逐步羟基化，实现长期疏水性，11个月后接触角稳定在约140°。该效应源于激光诱导的表面形貌结构化以及随时间演变的化学变化（包括羟基和烃类物种），实现无需涂层、非侵入性的持久自修复润湿性控制，且不损害外观。

ABSTRACT

The modification of the wetting properties of marble surfaces upon multi-scale texturing induced by ultrafast laser processing (340 fs pulse duration, 1030 nm wavelength) has been investigated with the aim of evaluating its potential for surface protection. The contact angle (CA) of a water drop placed on the surface was used to assess the wettability of the processed areas. Although the surfaces are initially hydrophilic upon laser treatment, after a few days they develop a strong hydrophobic behavior. Marble surfaces have been irradiated with different scan line separations to elucidate the relative roles of multi-scale roughness (nano- and micro-texture) and chemical changes at the surface. The time evolution of the contact angle has been then monitored up to 11 months after treatment. A short and a long-term evolution, associated to the combined effect of multi-scale roughness and the attachment of chemical species at the surface over the time, have been observed. XPS and ATR measurements are consistent with the progressive hydroxylation of the laser treated surfaces although the additional contribution of hydrocarbon adsorbates to the wettability evolution cannot be ruled-out. The robustness of the results has been tested by CA measurements after cleaning in different conditions with very positive results.

研究动机与目标

• 研究超快激光处理后大理石表面长期润湿性演变规律。
• 解析多尺度形貌（微/纳粗糙度）与表面化学变化对疏水性的相对贡献。
• 评估激光诱导疏水性在清洁条件下的耐久性与鲁棒性。
• 开发一种无需涂层、非侵入性的大理石保护方法，以抵御水性污染物和酸蚀。

提出的方法

• 采用340 fs、1030 nm脉冲的超快激光加工，通过可变扫描线间距（2–30 µm）在大理石表面制备多尺度纹理。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDX）进行表面形貌与元素组成分析。
• 采用X射线光电子能谱（XPS）和衰减全反射红外光谱（ATR-IR）分析表面化学状态与官能团。
• 通过11个月内持续监测接触角（CA）变化，评估润湿性演变。
• 实施受控清洁程序（去离子水冲洗与肥皂布擦拭）以测试耐久性与自修复能力。
• 通过岩石薄片分析与阴极发光分析，确认材料完整性及激光诱导的结构变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 多尺度激光纹理如何影响大理石表面的长期润湿性？
• RQ2 微/纳粗糙度与表面化学演变对疏水性发展的相对贡献如何？
• RQ3 表面化学变化（特别是羟基化与烃类吸附）如何影响润湿性的时变演变？
• RQ4 激光诱导的疏水性在机械与化学清洁作用下表现如何？
• RQ5 表面扰动后，疏水效应是否可自修复？

主要发现

• 接触角在最初10天内迅速上升，8–11个月老化后稳定在约140°。
• 扫描间距为20 µm时初始疏水性最高，归因于微粗糙度效应。
• 扫描间距为30 µm时长期性能最佳，因最大有效表面积增强了化学反应活性与羟基化程度。
• XPS与ATR-IR数据证实表面发生羟基化并吸附更多烃类，二者均对疏水性有贡献。
• 去离子水冲洗导致接触角轻微降低，而肥皂布擦拭引起显著但可逆的下降，且在数日内恢复。
• 疏水效应表现出自修复与鲁棒性，表明对水性污染物具有持久防护能力。