激光蚀刻技术：解决全球水危机的有效方法

在冠状病毒大流行期间，向发达国家的人们保证了充足的清洁水供应，可以根据需要经常洗手，以保护自己免受疾病的侵袭。然而，世界上近三分之一的人口甚至喝到干净水都得不到保证。近年来，已经有许多研究团队展示过低成本 / 便携式的净水技术。不过美国陆军和罗切斯特大学提出的基于特制铝板和太阳能的新方案，有望将净水技术提升到全新的效率水平。据悉，研究团队从常规的铝板起步，经过超短飞秒激光脉冲的处理，以产生深黑色的开槽表面。方法是利用阳光（所有人都可以使用的一种资源）以高于100％的效率蒸发和净化受污染的水。

这怎么可能？

在《自然可持续性》的一篇论文中，研究人员证明了飞秒激光脉冲的爆发是如何将一块普通铝板表面蚀刻成一种超级芯（吸水），—超级吸能材料。

当以一定角度面向太阳放置在水中时，表面呈现出：

• 在金属表面形成一层薄薄的水膜
• 保留从太阳吸收的能量近100％，以快速加热水
• 同时，改变了水的分子间键，极大地提高了蒸发过程的效率。

三者协同之下，该技术的运行效率较理想中的更好，有望为解决全球、尤其是发展中国家的水危机，提供一种简单、持久、廉价的新方案。这项技术在发达国家也可以用于缓解干旱地区的缺水问题，以及海水淡化项目。

通过测试，研究团队发现该面板可用于含有洗涤剂、染料、尿液、重金属、甘油等典型污染物的水源，净化后的效果已达到可安全饮用的水平。基于太阳能的水净化可以大大减少这些污染物，因为当蒸发的水变成气态然后冷凝并被收集时，几乎所有的杂质都会被留下。

太阳能水蒸发的最常见方法是体积加热，即加热大量水，但只有顶层的水可以蒸发。这显然是效率低下的，因为只有一小部分的热能被利用了。

一种更有效的方法（称为界面加热）将漂浮的多层吸收和吸湿材料放在水面上，因此仅需要加热表面附近的水。但是现有的材料都必须水平漂浮在水面上，不能直接面对太阳。因此，该方法能量效率较低。此外，此外，现有的吸水材料很快就会被蒸发后留下的污染物堵塞，需要经常更换材料。

该研究开发的面板通过将薄薄的一层水从蓄水池中抽出，直接放到太阳能吸收器表面进行加热和蒸发，避免了这些低效率的问题。由于使用的是开槽表面，因此只需简单喷洒就能非常容易地进行清洗。研究人员说该方法最大的优势是，可以不断调整面板角度，在太阳升起时直接面对太阳，然后在落下前随光照移动，从而最大程度地吸收能量。

最新系列应用

该项目得到了比尔和梅琳达·盖茨基金会，美国国家科学基金会以及美国陆军研究办公室的资助。

“陆军及其作战人员不能缺水，因此对基础材料的研究特别感兴趣，这可能是产生清洁饮用水的先进技术，”美国陆军作战能力部下的陆军研究办公室项目经理埃文·特伦斯特罗姆（Evan Runnerstrom）说。这些铝表面的超吸水和吸光性能可能会实现被动或低功耗的水净化，从而更好地维持战场上的士兵生存。

除了使用飞秒激光蚀刻技术创建超疏水（憎水），超亲水（吸水）和超吸收能量的金属外，研究人员还创建了一种不会下沉的金属结构。

在创造出吸水和驱水金属之前，研究人员演示了使用飞秒激光脉冲将几乎所有金属沥青变黑的过程。在金属上产生的表面结构在捕获入射辐射（例如光）方面非常有效。但它们也能捕捉到广泛波长范围内的光。

随后，研究团队使用类似工艺将一系列金属的颜色更改为各种颜色，例如蓝色，金色和灰色。这些应用可能包括制造彩色滤光片和光谱设备，在汽车制造厂中使用单个激光器生产不同颜色的汽车等。

实验室还利用最初的黑色和彩色金属技术，在普通钨丝的表面制造出独特的纳米和微尺度结构阵列，从而使灯泡在相同的能耗下可以发出更明亮的光。

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