如何增強(qiáng)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(xiàn)在看來，德國(guó)吉爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到了解決方案。

    德國(guó)基爾大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如何在不影響金屬的機(jī)械穩(wěn)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(xué)蝕刻工藝，將金屬的最上層通過微米級(jí)嚴(yán)格控制的方式進(jìn)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(jí)連接”的應(yīng)用潛力范圍極為廣泛，從工業(yè)金屬制品一直到更安全的醫(yī)療植入技術(shù)都有應(yīng)用前景。現(xiàn)在，他們的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的權(quán)威雜志“Nanoscale Horizon”上。

    “我們現(xiàn)在已經(jīng)將這項(xiàng)從前只用于半導(dǎo)體的技術(shù)應(yīng)用于金屬，這是一種全新的應(yīng)用該方法的方式。” Jürgen Carstensen博士說，他是該出文章的聯(lián)合作者。在此過程中，金屬的表面被轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體，其可以通過化學(xué)蝕刻，根據(jù)需要進(jìn)行特異性修飾。“因此，我們已經(jīng)開發(fā)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(wěn)定性。” Rainer Adelung教授強(qiáng)調(diào)說，他是材料科學(xué)研究所“納米功能材料”團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。 Adelung強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)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(yùn)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(xué)性質(zhì)不如其他晶粒穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定的顆粒可通過有針對(duì)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(gè)三維表面結(jié)構(gòu)。這改變了表面的性質(zhì)，但不改變金屬作為一個(gè)整體的性質(zhì)。這是因?yàn)槲g刻僅10－20微米深，只有人類頭發(fā)直徑的四分之一那么深。因此，研究小組將這個(gè)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(xué)性質(zhì)不如其他晶粒穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定的顆粒可通過有針對(duì)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(gè)三維表面結(jié)構(gòu)。這改變了表面的性質(zhì)，但不改變金屬作為一個(gè)整體的性質(zhì)。這是因?yàn)槲g刻僅10－20微米深，只有人類頭發(fā)直徑的四分之一那么深。因此，研究小組將這個(gè)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(xué)材料科學(xué)研究小組的Mark-Daniel Gerngroß博士解釋說。

    通過蝕刻工藝，可以創(chuàng)建一個(gè)有微小鉤狀結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)。如果一個(gè)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(gè)三維拼圖一樣，所有方向彼此之間都聯(lián)鎖起來了。“這些三維拼圖狀的連接實(shí)際上是牢不可破的。在我們的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，它通常是金屬或聚合物被破壞了，而不是連接本身。”Melike Baytekin-Gerngroß，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(huì)影響連接。 “在我們的測(cè)試中，我們甚至在金屬表面上涂抹機(jī)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(fèi)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(wěn)定性。Carstensen強(qiáng)調(diào)：“我們的連接都非常強(qiáng)大，耐候性極強(qiáng)。”該過程的一個(gè)有益的副作用是，蝕刻使得金屬表面可以防水。所得鉤狀結(jié)構(gòu)的功能類似于一個(gè)緊密聯(lián)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(nèi)置的防腐蝕保護(hù)。 “事實(shí)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(fā)現(xiàn)。”Adelung說。

    無限的潛在應(yīng)用

    “潛在的應(yīng)用范圍極為廣泛，從金屬加工行業(yè)，如造船和航空，印刷技術(shù)及防火，一直到醫(yī)療應(yīng)用，”Gerngroß說。因?yàn)?ldquo;納米雕刻”的過程不僅是創(chuàng)建一個(gè)三維表面結(jié)構(gòu)，其可以不用化學(xué)物質(zhì)純粹通過物理方式結(jié)合。針對(duì)性蝕刻也可以將有害顆粒從表面除去，這在醫(yī)療技術(shù)上有很大應(yīng)用前景。

    鈦通常用于醫(yī)療植入物。為了在機(jī)械上強(qiáng)化鈦，會(huì)添加少量的鋁。然而，鋁可以在體內(nèi)觸發(fā)人們不期望的副作用。 “通過我們的實(shí)驗(yàn)過程，我們可以從表面層除去鋁顆粒，并由此獲得一個(gè)較純的表面，這是可以增加人體耐受性。因?yàn)槲覀冎晃g刻上的微米尺度的最上層，整個(gè)植入物的穩(wěn)定性不受影響。”Carstensen這樣說明。

    研究人員迄今已為這個(gè)過程申請(qǐng)了四項(xiàng)專利。不少企業(yè)已經(jīng)顯示出對(duì)潛在應(yīng)用的極大興趣。“而我們的材料科學(xué)專家同事也為我們的發(fā)現(xiàn)感到激動(dòng)。” Adelung高興地說。