西安电子科大突破：纳秒激光刻蚀技术打造防尘宇航服

西安电子科大突破：纳秒激光刻蚀技术打造防尘宇航服

2024年10月，西安电子科技大学机电工程学院王卫东教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了一项重要研究成果：他们利用纳秒激光刻蚀技术，在铝基表面上制备出具有优异防尘效果的多层次微结构。这一突破性进展，为解决长期困扰人类探月任务的月尘问题提供了新的解决方案。

月尘，即月球上的尘埃，是月球表面最独特的环境特征之一。这些细小的硅酸盐颗粒，直径大多在几十到几百微米之间，肉眼几乎难以察觉。然而，正是这些看似微不足道的尘埃，却成为了阻碍人类探索月球的重要因素。

月尘的形成源于月球表面长期受到微陨石撞击、太阳风和宇宙射线的照射。这些自然作用不仅将月球岩石破碎成细小颗粒，还使这些颗粒呈现出独特的物理特性：粗糙、锋利且带静电。正因为如此，月尘极易附着在探月设备和宇航服上，对设备运行和航天员健康构成严重威胁。

面对月尘问题，科研人员提出了两种主要的应对方案：主动防尘和被动防尘。

主动防尘技术通过电力或机械力来减少或去除尘埃附着，但这种方案需要依赖外部能源。在能源资源极其有限的月球环境下，主动防尘技术的实施成本极高，因此并不适用。

相比之下，被动防尘技术则更具优势。这种技术通过改变材料表面结构或涂覆具有防尘特性的材料，实现长期可靠的防尘效果，且不需要额外的能源支持。目前，被动防尘技术已成为应对月球尘埃挑战的主要途径。

王卫东教授团队选择铝作为基材，因为铝具有轻量、高强度、耐腐蚀等优点，在航空航天领域广泛应用。然而，如何让这种“老牌”材料具备卓越的防尘性能呢？团队将目光投向了纳秒激光刻蚀技术。

纳秒激光刻蚀是一种超短脉冲激光加工技术，其脉冲持续时间仅为纳秒级（一秒的十亿分之一）。通过精确控制激光能量密度、脉冲频率和扫描速度等参数，可以在铝基表面制备出不同结构参数的多层次微结构。

研究团队发现，当线间距为80微米时，制备出的铝基表面与月尘颗粒的接触面积最小，接触轮廓最短，防尘效果最佳。实验数据显示，经过纳秒激光刻蚀处理的铝基表面，与模拟月尘颗粒之间的粘附力仅为9.58纳牛顿（人手指敲击键盘的力约为七亿纳牛顿），比原始铝片的粘附力降低了52%。数字图像统计结果也表明，在相同扬尘环境中，激光刻蚀表面的尘埃覆盖率比原始铝基表面降低了约85%。

这项技术的应用前景十分广阔。王晓博士表示：“在月球车表面、热控设备表面、机械结构表面、太阳能电池板表面，此技术都有望应用来实现表面尘埃的低粘附效果，为人类在月球探索的过程中提供更多的便利和安全保障。”

随着中国探月工程的持续推进，这项创新性的防尘技术有望在未来的嫦娥任务中得到实际应用。它不仅能够提高探月设备的可靠性和使用寿命，更为保障宇航员的安全提供了新的解决方案。这项技术的成功研发，标志着中国在月球探测技术领域取得了重要突破，为人类重返月球、建立月球基地的长远目标贡献了中国智慧。