不用改變金屬材料整體性能就能改變材料界面性能

材料牛注：如何增強金屬表面的防腐和提高金屬與人體的相容性是一直困擾著人們的重要問題，現在看來，德國吉爾大學的研究人員已經找到了解決方案。

如何根據金屬表面的特性來開發利用金屬呢？德國基爾大學的一個研究小組已經發現了如何在不影響金屬的機械穩定性或改變金屬特性本身的情況下，改變金屬表面性能的方法。這種新的方法是基于電化學蝕刻工藝，將金屬的最上層通過微米級嚴格控制的方式進行粗糙化。通過這種“納米雕刻”的過程，金屬如鋁，鈦或鋅可永久性地與其它材料相摻雜，成為疏水材料，或改善其生物相容性。這些“超級連接”的應用潛力范圍極為廣泛，從工業金屬制品一直到更安全的醫療植入技術都有應用前景。現在，他們的研究結果已經發表在皇家化學學會的權威雜志“Nanoscale Horizon”上。

“我們現在已經將這項從前只用于半導體的技術應用于金屬，這是一種全新的應用該方法的方式。” Jürgen Carstensen博士說，他是該出文章的聯合作者。在此過程中，金屬的表面被轉化為半導體，其可以通過化學蝕刻，根據需要進行特異性修飾。“因此，我們已經開發出一種方法，不像其他的蝕刻工藝，它不損傷金屬，并且不影響它們的穩定性。” Rainer Adelung教授強調說，他是材料科學研究所“納米功能材料”團隊的負責人。 Adelung強調這項發現的重要性：“以這種方式，我們可以永久性連接以前不能直接接合的金屬，例如銅和鋁。”

“納米雕刻”過程如何運作？

金屬的表面由許多不同的晶體和晶粒組成，其中一些的化學性質不如其他晶粒穩定。這些不穩定的顆粒可通過有針對性的蝕刻從金屬表面上除去。頂面層通過蝕刻工藝粗糙化，形成一個三維表面結構。這改變了表面的性質，但不改變金屬作為一個整體的性質。這是因為蝕刻僅10－20微米深，只有人類頭發直徑的四分之一那么深。因此，研究小組將這個過程命名為 “納米雕刻”。

金屬的表面由許多不同的晶體和晶粒組成，其中一些的化學性質不如其他晶粒穩定。這些不穩定的顆粒可通過有針對性的蝕刻從金屬表面上除去。頂面層通過蝕刻工藝粗糙化，形成一個三維表面結構。這改變了表面的性質，但不改變金屬作為一個整體的性質。這是因為蝕刻僅10－20微米深，只有人類頭發直徑的四分之一那么深。因此，研究小組將這個過程命名為 “納米雕刻”。

蝕刻的變化肉眼可見：處理過的表面變得不再有光澤。 “例如，如果我們用砂紙打磨金屬，我們同樣能在外觀上看到顯著的變化，但是這僅僅是二維的，并不改變表面的特性。”來自基爾大學材料科學研究小組的Mark-Daniel Gerngro?博士解釋說。

通過蝕刻工藝，可以創建一個有微小鉤狀結構的三維結構。如果一個接合聚合物被添加到兩層處理過的金屬之間，其表面就像一個三維拼圖一樣，所有方向彼此之間都聯鎖起來了。“這些三維拼圖狀的連接實際上是牢不可破的。在我們的測試實驗中，它通常是金屬或聚合物被破壞了，而不是連接本身。”Melike Baytekin-Gerngro?，該文章的主要作者說。

多功能特性的表面

即使是脂肪薄層，例如由表面上留下的指紋也不會影響連接。 “在我們的測試中，我們甚至在金屬表面上涂抹機油。但連接仍能保持。”Baytekin-Gerngro?解釋說。因此，船體在涂料可涂之前的費力清洗也就不必要了。

此外，研究小組將這種連接暴露在極高的溫度和濕度下，以模擬氣候條件。這也沒有影響其穩定性。Carstensen強調：“我們的連接都非常強大，耐候性極強。”該過程的一個有益的副作用是，蝕刻使得金屬表面可以防水。所得鉤狀結構的功能類似于一個緊密聯鎖的三維迷宮，沒有可以被水滲透的孔。因此，金屬具有一種內置的防腐蝕保護。 “事實上，我們不知道像鋁這樣的金屬有這種行為。即沒有施加防水涂層就有防水效果，這是全新的發現。”Adelung說。

無限的潛在應用

“潛在的應用范圍極為廣泛，從金屬加工行業，如造船和航空，印刷技術及防火，一直到醫療應用，”Gerngro?說。因為“納米雕刻”的過程不僅是創建一個三維表面結構，其可以不用化學物質純粹通過物理方式結合。針對性蝕刻也可以將有害顆粒從表面除去，這在醫療技術上有很大應用前景。

鈦通常用于醫療植入物。為了在機械上強化鈦，會添加少量的鋁。然而，鋁可以在體內觸發人們不期望的副作用。 “通過我們的實驗過程，我們可以從表面層除去鋁顆粒，并由此獲得一個較純的表面，這是可以增加人體耐受性。因為我們只蝕刻上的微米尺度的最上層，整個植入物的穩定性不受影響。”Carstensen這樣說明。

研究人員迄今已為這個過程申請了四項專利。不少企業已經顯示出對潛在應用的極大興趣。“而我們的材料科學專家同事也為我們的發現感到激動。” Adelung高興地說。

原文鏈接：Kiel Research Team Can Bond Metals with Nearly All Surfaces

文獻鏈接：Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale-sculpturing

本文由編輯部楊洪期提供素材，時冰遙編譯。

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