尺寸較小的微米和納米結構在材料的表面是肉眼看不見的，但在決定材料的物理，化學和生物醫(yī)學性能上發(fā)揮了重要作用。
在過去的幾年中，Chunlei Guo和他的研究團隊在羅切斯特大學發(fā)現(xiàn)了通過照射激光脈沖在材料表面可對這些結構進行人工操作的方法。通過這種方法，他們已經(jīng)改變了材料的性質，使他們呈現(xiàn)排水吸水的特性，并在沒有任何類型的涂層情況下吸收大量的光。
如今Guo，Anatoliy Vorobyev，Ranran Fang作為大學的光學研究所的研究人員，對這項技術有了更進一步的研究。他們已經(jīng)開發(fā)出一種技術，第一次，觀察到材料表面的微觀和納米結構的形成，無論是在激光脈沖的應用程序使用期間和還是之后的完整的演變。
Guo說：“在我們確定我們可以通過在它的表面創(chuàng)造微小結構來徹底改變材料的特性之后，接下來的自然步驟就是了解這些微小的結構是如何形成的。這是非常重要的，因為當你了解它們是如何形成的，你就可以更好地控制它們。”
了解了這種控制將可以用于實現(xiàn)各種技術的改進方法，包括防腐建材、減震器、燃料電池、太空望遠鏡、飛機除冰、醫(yī)療器械以及改善第三世界國家的衛(wèi)生情況。
在《自然》雜志旗下的《科學與應用》雜志上發(fā)表的一篇論文中，該組織介紹了一種散射光成像技術，使他們能夠記錄一種超快的激光照射材料表面的方法。在技術上打開一個觀察整個過程的窗口，如利用激光讓材料熔化，使其表面瞬態(tài)波動，制作永久性的微型和納米結構等。
制作一個一英寸乘一英寸的金屬模式樣品，需要大約一個小時。確定微觀和納米結構的形式，可以讓科學家能夠簡化這些結構的創(chuàng)建，包括加快表面圖案制作的速度和效率。
創(chuàng)建和改變這些小的結構，實現(xiàn)材料的部分特性性質，并減少臨時化學涂層的需要。
為了產(chǎn)生這些效應，研究人員使用飛秒激光器。這是一種可以產(chǎn)生了一個超快速激光脈沖的激光器，其產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間為幾十飛秒。（一飛秒等于萬億分之一秒。）
改變激光的條件會導致表面結構的形態(tài)特征的變化，如它們的幾何形狀，大小和密度，導致材料表現(xiàn)出各種特定的物理性質。
我們很難獲得在微米納米尺寸的整個過程的詳細的圖像和事件發(fā)生情況，因為它們發(fā)生在飛秒，皮秒（一兆分之一秒的），和納秒（一秒的十億分之一）時間尺度。
換一種角度來看，Vorobyev解釋說，光從地球旅行到月球它需要大約一秒鐘的時間。然而，光只在一納秒內(nèi)只會走大約一步距離，一飛秒可走約0.3微米，這一個距離相當于病毒或細菌的直徑，僅約1英尺。
典型的攝像機以每秒五到30幀的速度記錄一系列圖像。但在實時播放一系列圖像時，人眼感知的是連續(xù)運動而不是一系列獨立的幀。
Guo的研究團隊是如何能夠在飛秒，皮秒和納秒時間間隔內(nèi)記錄的呢？他們使用了一種技術，涉及散射光。飛秒激光脈沖時，光束一分為二：一個泵浦光束旨在為物質目標造成微-納米結構的變化，和第二探針束作為一個閃光燈照亮的過程，并由CCD攝像頭這種高分辨能力高度敏感的成像裝置進行記錄成像。
“我們非常努力地開發(fā)這種新技術，”Guo說。“隨著散射光脈沖在飛秒時間間隔內(nèi)進行傳輸，我們可以捕捉到非常小的變化，以極快的速度。從這些圖像，我們可以清楚地看到結構是如何開始形成的。”
Guo解釋說，這種散射光的可視化技術可以捕捉任何發(fā)生在一分鐘內(nèi)時間規(guī)模的過程。我們開發(fā)的技術不一定只限于研究在我實驗室內(nèi)所具有的材料表面效應，我們這項工作的研究基礎對于超快材料表面的微小變化都是非常重要的。”這包括研究熔融，結晶，流體動力學，甚至細胞的活動等。
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