不用改变金属材料整体性能就能改变材料界面性能

材料牛注：如何增强金属表面的防腐和提高金属与人体的相容性是一直困扰着人们的重要问题，现在看来，德国吉尔大学的研究人员已经找到了解决方案。

如何根据金属表面的特性来开发利用金属呢？德国基尔大学的一个研究小组已经发现了如何在不影响金属的机械稳定性或改变金属特性本身的情况下，改变金属表面性能的方法。这种新的方法是基于电化学蚀刻工艺，将金属的最上层通过微米级严格控制的方式进行粗糙化。通过这种“纳米雕刻”的过程，金属如铝，钛或锌可永久性地与其它材料相掺杂，成为疏水材料，或改善其生物相容性。这些“超级连接”的应用潜力范围极为广泛，从工业金属制品一直到更安全的医疗植入技术都有应用前景。现在，他们的研究结果已经发表在皇家化学学会的权威杂志“Nanoscale Horizon”上。

“我们现在已经将这项从前只用于半导体的技术应用于金属，这是一种全新的应用该方法的方式。” Jürgen Carstensen博士说，他是该出文章的联合作者。在此过程中，金属的表面被转化为半导体，其可以通过化学蚀刻，根据需要进行特异性修饰。“因此，我们已经开发出一种方法，不像其他的蚀刻工艺，它不损伤金属，并且不影响它们的稳定性。” Rainer Adelung教授强调说，他是材料科学研究所“纳米功能材料”团队的负责人。 Adelung强调这项发现的重要性：“以这种方式，我们可以永久性连接以前不能直接接合的金属，例如铜和铝。”

“纳米雕刻”过程如何运作？

金属的表面由许多不同的晶体和晶粒组成，其中一些的化学性质不如其他晶粒稳定。这些不稳定的颗粒可通过有针对性的蚀刻从金属表面上除去。顶面层通过蚀刻工艺粗糙化，形成一个三维表面结构。这改变了表面的性质，但不改变金属作为一个整体的性质。这是因为蚀刻仅10－20微米深，只有人类头发直径的四分之一那么深。因此，研究小组将这个过程命名为 “纳米雕刻”。

金属的表面由许多不同的晶体和晶粒组成，其中一些的化学性质不如其他晶粒稳定。这些不稳定的颗粒可通过有针对性的蚀刻从金属表面上除去。顶面层通过蚀刻工艺粗糙化，形成一个三维表面结构。这改变了表面的性质，但不改变金属作为一个整体的性质。这是因为蚀刻仅10－20微米深，只有人类头发直径的四分之一那么深。因此，研究小组将这个过程命名为 “纳米雕刻”。

蚀刻的变化肉眼可见：处理过的表面变得不再有光泽。 “例如，如果我们用砂纸打磨金属，我们同样能在外观上看到显着的变化，但是这仅仅是二维的，并不改变表面的特性。”来自基尔大学材料科学研究小组的Mark-Daniel Gerngroß博士解释说。

通过蚀刻工艺，可以创建一个有微小钩状结构的三维结构。如果一个接合聚合物被添加到两层处理过的金属之间，其表面就像一个三维拼图一样，所有方向彼此之间都联锁起来了。“这些三维拼图状的连接实际上是牢不可破的。在我们的测试实验中，它通常是金属或聚合物被破坏了，而不是连接本身。”Melike Baytekin-Gerngroß，该文章的主要作者说。

多功能特性的表面

即使是脂肪薄层，例如由表面上留下的指纹也不会影响连接。 “在我们的测试中，我们甚至在金属表面上涂抹机油。但连接仍能保持。”Baytekin-Gerngroß解释说。因此，船体在涂料可涂之前的费力清洗也就不必要了。

此外，研究小组将这种连接暴露在极高的温度和湿度下，以模拟气候条件。这也没有影响其稳定性。Carstensen强调：“我们的连接都非常强大，耐候性极强。”该过程的一个有益的副作用是，蚀刻使得金属表面可以防水。所得钩状结构的功能类似于一个紧密联锁的三维迷宫，没有可以被水渗透的孔。因此，金属具有一种内置的防腐蚀保护。 “事实上，我们不知道像铝这样的金属有这种行为。即没有施加防水涂层就有防水效果，这是全新的发现。”Adelung说。

无限的潜在应用

“潜在的应用范围极为广泛，从金属加工行业，如造船和航空，印刷技术及防火，一直到医疗应用，”Gerngroß说。因为“纳米雕刻”的过程不仅是创建一个三维表面结构，其可以不用化学物质纯粹通过物理方式结合。针对性蚀刻也可以将有害颗粒从表面除去，这在医疗技术上有很大应用前景。

钛通常用于医疗植入物。为了在机械上强化钛，会添加少量的铝。然而，铝可以在体内触发人们不期望的副作用。 “通过我们的实验过程，我们可以从表面层除去铝颗粒，并由此获得一个较纯的表面，这是可以增加人体耐受性。因为我们只蚀刻上的微米尺度的最上层，整个植入物的稳定性不受影响。”Carstensen这样说明。

研究人员迄今已为这个过程申请了四项专利。不少企业已经显示出对潜在应用的极大兴趣。“而我们的材料科学专家同事也为我们的发现感到激动。” Adelung高兴地说。

原文链接：Kiel Research Team Can Bond Metals with Nearly All Surfaces

文献链接：Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale-sculpturing

本文由编辑部杨洪期提供素材，时冰遥编译。

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