西電新聞網訊（通訊員 王曉 張驥）月塵是阻礙人類探索月球的重要空間環境因素之一，由月塵引發一系列的機械、熱控系統及光學表面失效問題亟待解決。因此，發展有效的月塵抑制方法對于探月任務的順利進行至關重要。不依賴外部能源的被動防塵技術是解決月塵問題的有效途徑之一，通過微結構設計實現表面的被動防塵技術已經成為當前研究的一個熱點。然而，目前報道的被動防塵表面仍存在制備復雜、效率低下、難以大面積應用等問題，限制了其在工程中的應用。此外，灰塵顆粒與固體表面間的粘附模型及作用機制仍缺乏深入研究。

近日，西安電子科技大學王衛東教授、中物院成科中心唐昶宇研究員聯合蘇州大學、蘭州空間技術物理研究所、中國科學院地球化學研究所等單位研究人員以“Rapid Fabrication ofAntilunarDust Aluminum Surface by Nanosecond Laser Etching”為題發表在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。博士生王曉為本文第一作者，西電機電工程學院為第一單位。

該研究采用納秒激光刻蝕方法制備了具有不同結構參數的多層次微結構鋁基表面，通過原位SEM實驗和分子動力學模擬對月塵顆粒與表面之間的動態接觸過程進行了表征。結果顯示，多層次微結構的存在減小了顆粒與表面之間的接觸面積，進而減小了粘附力。原子力顯微鏡的微力結果顯示，納秒激光刻蝕鋁基表面（線間距80μm）與模擬月塵顆粒之間的粘附力僅為9.58nN，比原始鋁片（20.22nN）的粘附力下降了52%。數字圖像方法統計結果表明，在相同揚塵環境中，激光刻蝕表面（線間距80μm）比原始鋁基表面的塵埃覆蓋率下降了約85%，極大提高了鋁基表面的防月塵粘附效果。

原位SEM測試及分子動力學模擬：（a）原位電鏡觀測系統；（b）原始鋁基表面與月塵顆粒探針的接觸輪廓；（c）納秒激光刻蝕鋁基表面（Al-80線間距80μm）與月塵顆粒探針的接觸輪廓；（d）原子力顯微鏡測量的模擬月塵顆粒與不同表面之間的粘附力；（e）顆粒與表面動態接觸的MD模型；（f）不同表面與顆粒之間的粘附力結果（分子動力學模擬）

此外，通過設計翻轉實驗，表征了不同表面的主動除塵能力。結果表明，在以5°/s速度翻轉90°后，原始鋁基表面的塵埃附著量仍超過85%，而刻蝕表面的灰塵附著量均低于17%。其中，最優激光刻蝕表面（線間距80 μm）翻轉后塵埃附著量僅為4.1%，展現出顯著的防月塵粘附效果。

防塵評價結果：（a）數字圖像法統計結果；（b）翻轉法統計結果；不同表面翻轉前（c）與翻轉后（d）表面殘留模擬月塵顆粒比較

這項研究工作結合微觀力學實驗和宏觀統計分析，分析并證實了“多層次微結構減弱月塵顆粒粘附作用”的有效性與作用機制。研究直觀且定量地表明，多層次微結構通過減少月塵顆粒與固體表面之間的接觸面積、減小了粘附力，從而實現了月塵有效防護。此外，本文提出的利用納秒激光快速、可控大面積制備鋁基防塵表面的技術，有望為探月工程中的月塵防護提供一種新穎有效的技術途徑。

論文信息：

Xiao Wang , Hong Shao ,GuangyiZhang , Haiyan Zhang , Junyu Yan ,YingminZhu , Ji Zhang , Weidong Wang，Zhan Yang , Changyu Tang

ACS Applied Materials & InterfacesDOI: 10.1021/acsami.4c08100

**文章鏈接：**https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.4c08100