近日，上海（hǎi）工程技（jì）術（shù）大學材料科學與工程學院張培磊教授領導的（de）國（guó）際研究團隊，在光學與激光領域著名期刊Optics & Laser Technology發表題為“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的綜述論文（wén）（了（le）解詳情點（diǎn）擊閱讀原文）。
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該論文結合作者團隊（duì）多年的經驗與成（chéng）果，全麵回顧了飛秒激光和納秒激光（guāng）在金屬玻璃表麵的加工現狀（zhuàng），包括但不（bú）僅限於激光與材料（liào）相互作用機製、表麵微納結（jié）構的製（zhì）備、對於（yú）不同材料性能的提升等。
近年來，激光加工對金屬玻璃進行表麵改性的研究工作（zuò）越來越多，表明激光與（yǔ）金屬玻璃表麵的相互作用很有趣。短（duǎn）脈衝（chōng）激光和超短脈衝（chōng）激光加工因其脈衝寬度窄、能量密度高、對材料作（zuò）用時間短而在該領域最為突出。特別是飛秒（miǎo）激光器和納秒激（jī）光器為金屬玻（bō）璃（BMGs）的高質量（liàng）、高效率和低損耗加工提供了巨大的可能性。
筆（bǐ）者在論文（wén）中綜述了這一特定研究領域，介（jiè）紹了（le）金屬（shǔ）玻璃（lí）的性質和（hé）應用，飛秒激光器和納秒激光器的加工特性，並從微觀角度解（jiě）釋了激光與金屬玻璃（lí）之間的複雜過程。此外，本文還分析了微（wēi）納結構和宏觀形（xíng）貌（mào），並討論了微觀機理對結構的影響。另一方麵，還討論了微納結構的性能，包括（kuò）力學性能、光學性能（néng）、潤濕（shī）性和生物相容性，這對金（jīn）屬玻璃（lí）的表麵功能（néng）化具有（yǒu）重要意義。
作者團隊通過實驗和模擬（nǐ）發現激光偏振方向的高空頻LIPSS與表麵上（shàng）納米級粗糙度存在聯係。使用飛秒激光（guāng）輻照兩種不同表麵結構的（de）Zr基金屬玻璃表麵，如（rú）圖1所示，通過分析單粒子和多粒子散射特征，提出了HSFL形成的情景，並解釋稱這種現象依賴於單個各向異性（xìng）近場增強過程以及入射場（chǎng）和粒子間耦（ǒu）合（hé）驅動的集體（tǐ）混合散射和幹涉效應。近場增強對於200-400 nm範（fàn）圍內的（de）顆粒尺寸有很大影響（xiǎng），通過反饋機製驅動沿偏（piān）振方（fāng）向的各向異性結（jié）構的生長，並且討（tǎo）論了局部反饋驅動效應和集體散（sàn）射與HSFL拓撲相關演化一（yī）致的潛在情況。並表明（míng）散射和與入射場的相互（hù）作用（yòng）有助於LSFL的形成。
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圖 1.以F=0.38 J/cm2（a,b）和F=0.15 J/cm2（c,d）的線性偏振激（jī）光脈衝輻照後BMG（a,c）和CA（b,d）樣品表麵的掃描電鏡圖像。插（chā）圖中顯示了CA形（xíng）狀的放大區，以及（jí）BMG表麵無定形和結晶相的EBSD結構評估。較高通量值（N=1,2,4）時使用的脈衝（chōng）數較（jiào）少，而較低（dī）通量情況（kuàng）下使用的脈衝數較多（N=20,50,100）。(a)中的插圖給出了在N=4時較高（gāo）通量F=0.6 J/cm2的例子。LSFL表示通常垂直於激光偏振方向形成的LSFL波紋。(a,b)中給（gěi）出了BMG和CA情況下N=4脈衝時LIPSS的二維傅立葉變換（FT）表（biǎo）示法，顯示了LSFL和（hé）HSFL的發展及其在（zài）空間-頻率空間（jiān）（K空間）中的特定（dìng）空間周期性。
通過改變納秒激光器的激光能量密（mì）度，在（zài）Fe基金屬玻璃上麵探究了納米圖案的形（xíng）成（chéng），通過三種不同的激光能量密（mì）度：0.85 J/cm2、1.39 J/cm2、1.89 J/cm2，實驗表明隨著激光能量（liàng）密度（dù）的增加，納米（mǐ）粒子的分布是不同的。
對此，他們還對這種結構的形成及演化進（jìn）行了（le）討（tǎo）論(如圖2所示)，能量（liàng）相對較低時，納米粒子以離散形式出現（xiàn）在（zài）照射區域；當將能量增加時，除熱影響區（qū）外（wài），照射區域呈現出大（dà）麵積的網絡納米（mǐ）結構。這些網絡納米結構並不總是完全封閉的，尤其是在輻照區域的（de）中心。隨著能量進（jìn）一步增加，整（zhěng）個輻照區域具有熱影響區（qū）周圍的網絡（luò）納米結構和位於輻照區域（yù）中心的納米顆粒兩種結構。並且，隨著（zhe）激光能量密度的增加，這種納米粒子的數量不（bú）斷增多，當數量（liàng）過多時兩兩相（xiàng）互連接形成納米線，或者納米網格結（jié）構，納米顆粒可（kě）歸因於（yú）激光誘導的元素（sù）富集（即無（wú）定（dìng）形氧化鉺）及其與基材的潤濕性不匹配（pèi）。此（cǐ）外，在反衝壓力和表麵形貌的共同影響下，納米粒子的擴散和連（lián）接會導致網絡納（nà）米結構的形成。這種（zhǒng）納米顆粒和納米（mǐ）網（wǎng）格的應用十分廣（guǎng）泛，如作為增強材料等。
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圖 2.左圖為：不同激（jī）光能量密度下激光照射後鐵基（jī）MG表麵的SEM形（xíng）貌：(a、b)0.85 J/cm2、(c、d)1.39 J/cm2和(e、f)1.89 J/cm2；右圖為：納（nà）米顆粒在Fe基金屬玻璃基底上的形成過程示意圖（tú）。
他們（men）使（shǐ）用飛秒激光探索了納米結構對細菌粘附的影響，通過不同（tóng）的激光參數在四個（gè）BMG表麵上產生了簇狀納米顆粒結構和不同的（de）LIPSS結構，如圖3左圖（tú）所示。測量BMG的表麵粗糙（cāo）度、表麵接觸角和表（biǎo）麵能時，發（fā）現拋光表麵和LIPSS結構的表麵粗糙度和表麵能在團簇狀納米顆粒（lì）結構外較低，表現出良好（hǎo）的疏水性。在（zài）細菌實驗中，通過（guò）熒（yíng）光顯微鏡（jìng）圖像對標本表麵（miàn）的大腸杆菌和金黃色葡萄（táo）球菌進（jìn）行實驗，發現當BMG表麵疏水性較好（hǎo）時，抗菌（jun1）能力也較好（hǎo）。此外，他們還從微觀和形態兩個角度解釋了細菌粘附，如（rú）圖3右圖所示。從微觀角度，自由細菌粘附過程中兩個表麵之間的能量用範德華力和庫（kù）侖力以（yǐ）及布朗運動來解釋，從形態學角度，納米結構表麵的曲率和細菌的曲率半徑大小決定了抗菌性能的好壞。
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圖3.左圖為：飛秒激光納米結構表麵的形（xíng）貌：(a)V105s的拋光表麵；(b)V105s的（de）納米粒子結構表麵；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結構表麵；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。右圖為：金黃（huáng）色葡（pú）萄球菌（jun1）在(a)拋光表麵、(b)納米（mǐ）顆粒結構表麵和(c)LIPSS上的表麵接觸狀態。表麵細菌粘附狀態（tài）示意（yì）圖（d）在拋光表麵上，(e)在納米結構表麵（miàn）上和(f)在（zài）LIPSS上。
綜上所述，金屬玻璃作為一種新（xīn）興的（de）材料，相較於傳統金屬材料（liào），金屬玻璃（lí）有著（zhe）眾多優勢，這也使得其在工業或（huò）醫療行業中有著巨大的潛力，飛秒激光和（hé）納秒激光（guāng）的出現讓金屬玻璃的應用更加廣（guǎng）泛。
此外，作者團隊在理解上述研究的基（jī）礎上，也將（jiāng）更進一步的對納秒激光（guāng）和飛秒激光加工金屬玻璃方向進（jìn）行研究，提出更多二者相互作用的（de）機製，並（bìng）用模擬（nǐ）的方式進行體現，為該方向提供更多有力的機理解釋。除上述兩種激光加工方式（shì）外，阿秒激光作為脈衝（chōng）時間更（gèng）短的激光，在與金屬玻璃的作用中會產生哪些有趣的現象，目前還有待研究，相信這（zhè）會對金（jīn）屬玻（bō）璃的發展提供重要幫助。（如有侵權來電刪除！）
