清華大學(xué)鐘敏霖教授：超快激光納米結(jié)構(gòu)制備與創(chuàng)新應(yīng)用

2019年6月28日，激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會(huì) 在北京興基鉑爾曼酒店召開(kāi)�，F(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人士眾多，南極熊3D打印網(wǎng)是本次研討會(huì)的合作媒體。


下面是現(xiàn)場(chǎng)速記，或許有些不完美之處，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀。

清華大學(xué)鐘敏霖教授介紹“超快激光納米結(jié)構(gòu)制備與創(chuàng)新應(yīng)用”

鐘敏霖：大家上午好，很高興有機(jī)會(huì)跟大家交流一下我們最近十年來(lái)的一些工作。原來(lái)給我是30分鐘，現(xiàn)在40分鐘，所以可以說(shuō)一點(diǎn)閑話。
    第一，今年1月1日開(kāi)始，我擔(dān)任《中國(guó)激光》的執(zhí)行總編，《中國(guó)激光》是目前國(guó)內(nèi)在激光領(lǐng)域最有影響的刊物，而且現(xiàn)在國(guó)家也提倡把好的成果發(fā)表在祖國(guó)大地上，所以我特別歡迎大家把好的研究工作向《中國(guó)激光》投稿，我們安排好的通道，只要是好的快速發(fā)表，而且我作為主編，每一篇激光方面的文章我都要過(guò)目，所以只要是好的論文，一定不會(huì)漏掉的。
    第二，6月1日開(kāi)始擔(dān)任美國(guó)激光協(xié)會(huì)主席，現(xiàn)在正好美國(guó)跟中國(guó)打貿(mào)易戰(zhàn)，所以我這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)挑戰(zhàn)。我們知道目前從激光領(lǐng)域來(lái)講，有三個(gè)方面的熱點(diǎn)研究方向，一個(gè)是高端激光裝備，像高動(dòng)力的超快激光和高動(dòng)力工業(yè)型的，比如萬(wàn)瓦級(jí)甚至十萬(wàn)瓦級(jí)工業(yè)應(yīng)用的激光。第二方面就是增材制造。第三方面是激光微納制造。美國(guó)有一個(gè)大學(xué)教授，是激光領(lǐng)域非常有名的專家，他曾經(jīng)說(shuō)過(guò)這樣一段話。文件非常有用。我們現(xiàn)在的目標(biāo)是希望（英文）。王總已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一條目標(biāo)，打印的非常有用，也非常漂亮。我現(xiàn)在做的工作非常小，所以我非常努力使我這個(gè)小的東西變得有用，精小、美麗、有用。
    我的題目是“超快激光納米結(jié)構(gòu)制備與創(chuàng)新應(yīng)用”。主要四個(gè)方面，一個(gè)是我們用的手段是超快激光，第二我們做的東西是納米結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)有神奇的性能，所以我們可以開(kāi)發(fā)出一系列的創(chuàng)新的應(yīng)用。先考慮一下納米結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧{米目前是材料領(lǐng)域的熱門研究方向之一，我們都知道納米相當(dāng)于10的負(fù)9次方米，或者是10億分之一米，七萬(wàn)分之一頭發(fā)絲大小，因?yàn)槲覀兊念^發(fā)死是70微米。納米非常小，三四個(gè)原子那么大，所以有納米效應(yīng)。一個(gè)是表面和界面效應(yīng)，小尺度效應(yīng)，量子效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)。所以無(wú)論任何材料，一旦它的結(jié)構(gòu)縮小到納米尺度的時(shí)候，都有神奇性能。目前研究最熱門的是納米材料，包括0D納米顆粒，1D納米線，2D石墨烯。
    但是納米材料應(yīng)用過(guò)程中，我們碰到兩個(gè)重大的難題，一個(gè)就是納米材料如何分散，因?yàn)榧{米的小尺度效應(yīng)，所以兩個(gè)納米顆粒碰到一起一定會(huì)聚集，它長(zhǎng)到一定的尺度以后，所有的納米特性就會(huì)消失。你只要碰到一起，它繞不開(kāi)，因?yàn)樗�這個(gè)結(jié)合能力非常強(qiáng)。所以如何把納米材料均勻分散在一個(gè)體系里面，這是一個(gè)大的難題，所有的納米材料都會(huì)碰到這樣的問(wèn)題，分散不好，性能達(dá)不到，雖然看起來(lái)很漂亮。
    第二個(gè)問(wèn)題就是穩(wěn)定，因?yàn)楝F(xiàn)在大部分用的都是納米的顆粒，納米顆粒你要用到一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域里面，一般來(lái)講我們要變得大，所以還是要把納米顆粒結(jié)合到一個(gè)宏觀上面。納米顆粒在工作的過(guò)程中，很多就掉出來(lái)，一掉出來(lái)性能很難保證，所以穩(wěn)定性也是很大的挑戰(zhàn)。
    我們做的工作是納米結(jié)構(gòu)，為什么做納米結(jié)構(gòu)？因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)本來(lái)就分散，本來(lái)就穩(wěn)定，這是我選擇納米結(jié)構(gòu)的第一個(gè)原因。第二個(gè)原因，因?yàn)樽匀唤缋锩娼?jīng)過(guò)千百年進(jìn)化，進(jìn)化出來(lái)獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。而且這些納米結(jié)構(gòu)都是非常明確的功能，非常穩(wěn)定的存在。比如荷葉表面有灰塵、臟東西，下雨的話，這些臟東西都會(huì)吸到水滴上去，水滴滾落上來(lái)，所以就干凈，自清潔功能。壁虎可以隨時(shí)調(diào)整粘貼力，爪子上有成千上萬(wàn)的纖毛，可以把壁虎牢牢粘在玻璃上或者表面，有很高的黏結(jié)力。鯊魚(yú)游得非�？�，所以有減阻結(jié)構(gòu)。這些是逐漸進(jìn)化以后，形成的納米結(jié)構(gòu)沒(méi)有分散問(wèn)題，也是穩(wěn)定，我選擇這個(gè)方向的第二個(gè)原因。
    自然界里面有微米、納米，微米提供機(jī)械穩(wěn)定性、靈活性、強(qiáng)度。納米提供性能，目前納米有13類神奇的性能。比如說(shuō)紅色的是跟荷葉相關(guān)的，超疏水、超親水、定向潤(rùn)濕、自清潔、減阻、可逆附著、定向附著。納米結(jié)構(gòu)有調(diào)生物的能力，活性、敏感性會(huì)大幅度增加，所以自然界進(jìn)化的結(jié)果是以微米、納米，納米是功能，微米用來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有結(jié)構(gòu)納米很容易破壞，因?yàn)榧{米的結(jié)構(gòu)太小。
    我們的工作，首先希望理解自然界中納米結(jié)構(gòu)的功能究竟有什么關(guān)系，這個(gè)功能不是我來(lái)做，有仿生學(xué)家專門研究，當(dāng)然還有一些新的探索，會(huì)設(shè)計(jì)出來(lái)新的納米結(jié)構(gòu)，自然界有的或者沒(méi)有。我們的任務(wù)是拿激光把那些納米結(jié)構(gòu)做出來(lái)，能夠調(diào)控，這樣我們就實(shí)現(xiàn)像王總做的那么漂亮都是有用的，否則看起來(lái)很漂亮，但是沒(méi)用。這幾年我們的團(tuán)隊(duì)人不多，也就9到10人，我們承擔(dān)了一些國(guó)家的重大項(xiàng)目，其他的教授也不在乎經(jīng)費(fèi)，沒(méi)什么問(wèn)題。我們博士研究生一年只招一個(gè)，我們?nèi)比�，�?xiàng)目沒(méi)問(wèn)題，經(jīng)費(fèi)沒(méi)問(wèn)題，但是缺人。
    我們運(yùn)用的手段是超快激光，大家在座的有搞激光的，超快激光是十個(gè)皮秒以下的激光，特別是飛秒激光和皮秒激光。十年前的飛秒激光功率極低，但是過(guò)去十年，國(guó)際上超快激光發(fā)展非�？�，產(chǎn)生了所謂的新一代的超快激光，什么特點(diǎn)？可以達(dá)到數(shù)百飛秒或者皮秒。平均功率很高，我實(shí)驗(yàn)室平均功率150飛秒，德國(guó)已經(jīng)做出1000瓦飛秒，明年參加亞運(yùn)會(huì)可能做到10000瓦飛秒，發(fā)展非�？臁�
    重復(fù)程度比較高，有了這三個(gè)特點(diǎn)以后，我可以寫(xiě)一篇非常好的paper，也可以把它做成足夠大，能夠真正有用，這是我采用新一代超快激光的原因。超快激光我是最近十年才做的，以前沒(méi)涉及到，因?yàn)闆](méi)有這個(gè)手段�，F(xiàn)在有這個(gè)手段，德國(guó)做出來(lái)的第一臺(tái)的40瓦的飛秒激光，先放在實(shí)驗(yàn)室，用了半年，我們學(xué)生用了感覺(jué)很好用，就把它買下來(lái)。我這個(gè)團(tuán)隊(duì)就是對(duì)新一代超快激光，德國(guó)人也在用，我們應(yīng)該是比較早的團(tuán)隊(duì)之一。
    但是，物理里面學(xué)過(guò)衍射極限，我們把激光聚焦到最小，大概是多少，數(shù)字統(tǒng)計(jì)上面是多少。如果我們把數(shù)字統(tǒng)計(jì)當(dāng)作1，就是說(shuō)我把激光弄到最小，大概是二分之一波長(zhǎng)�，F(xiàn)在工業(yè)里常用的是多少，1064到1030，1064除以2，532，532除以2，266，或者用子外激光，是133。我直接把激光取消，聚不到納米對(duì)應(yīng)的尺度。
    當(dāng)然，我們現(xiàn)在做的芯片，用什么激光做的？波長(zhǎng)13.5那米極紫外激光。極紫外激光，現(xiàn)在國(guó)際上只有荷蘭能做。一套裝備多少錢？1.5億美元，顯然我們工業(yè)學(xué)校是用不起那樣的裝備，我們大家能用的就是上面的這個(gè)常用波長(zhǎng)，那個(gè)大概多少？從幾十萬(wàn)到一二百萬(wàn)，我買的激光大概在200萬(wàn)以內(nèi)，那可能是用的這個(gè)，后面1.5億。也就是說(shuō)常用的激光，工業(yè)上能用的激光我們聚不到那么小，但是衍射極限物理上是對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)來(lái)講，對(duì)近場(chǎng)光學(xué)，聚焦鏡的距離小于1個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)候，這叫近場(chǎng)光學(xué)，我們有很多的辦法，可以實(shí)現(xiàn)比衍射極限更小，只要小于它就叫突破極限。所以我們有一些效應(yīng)，是能夠突破衍射極限的，但是遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)講，我只能是衍射極限最小的二分之一。
    我們的超快激光有很強(qiáng)大的微米+納米結(jié)構(gòu)制備能力，但是由于衍射極限的制約，做納米是很有極限的，制備效率低。我們團(tuán)隊(duì)十年做了兩件事，一個(gè)是大大提升超快激光的納米結(jié)構(gòu)制備能力。另外要有調(diào)控能力，沒(méi)有調(diào)控就做不出來(lái)東西。
    要做好納米結(jié)構(gòu)，我們需要理解超快激光材料的相互作用，因?yàn)槲易龅闹饕�是金屬材料。這個(gè)過(guò)程超快激光非�？�，所以這個(gè)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及到數(shù)字模擬。我演示的是美國(guó)有一個(gè)教授，他們專門做數(shù)字模擬，模擬超快激光跟經(jīng)濟(jì)材料相關(guān)作用里面，吸收，熔化，等離子體形成，蒸發(fā)，噴射，再沉積的過(guò)程。實(shí)際上這中間的過(guò)程不一樣，但是等離子形成都有，后面沉積不沉積跟好多因素有關(guān)。
    我們也做了一些工作，怎么樣研究數(shù)理模型。另外我們有的高斯光束還是不一樣的。還建了一系列的產(chǎn)品關(guān)系，怎么樣把微米納米結(jié)構(gòu)做出來(lái)，這需要十多年的積累。有了這個(gè)積累之后，現(xiàn)在任何的金屬材料可以做成非常漂亮的微米結(jié)構(gòu)，這個(gè)不太難，大家有這個(gè)裝備都可以做。我們可以做任何的微米結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌�快激光都是跟（英文）連在一起，計(jì)算機(jī)可以編程，沒(méi)有問(wèn)題。
    納米我們做了納米絨毛、納米菜花、納米顆粒、納米波紋、納米調(diào)控等五種，微米柱+納米顆粒、微米柱+納米球等等，我們申請(qǐng)了好多專利。有了綜合的能力，五種納米結(jié)構(gòu)加上七種納米的雙級(jí)調(diào)控能力，以后我們就非常強(qiáng)大，就可以做自然界里面有一些非常好特性的事情，我們根據(jù)13類性能定義了五大領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有市場(chǎng)研究。
    第一是超疏水和應(yīng)用。第二是高抗反技術(shù)與應(yīng)用。第三是高敏感性技術(shù)與應(yīng)用。第四是界面結(jié)合力調(diào)控與應(yīng)用。第五是生醫(yī)與檢測(cè)應(yīng)用。今天時(shí)間有限，給大家匯報(bào)前三點(diǎn)。
    我們?cè)诔�快激光制備超疏水表面做了非常系統(tǒng)的研究，超疏水是荷葉不沾水的特性，它表面放大以后有一個(gè)微米級(jí)小鼓包，有納米級(jí)蠟絲。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了荷葉不沾水的特性�；�本的特性，水滴滴在表面，小于90度親水，大于90度叫疏水。大于150度叫超疏水，荷葉的性能是自然界里面超疏水非常好的。超疏水的原因理論上搞得非常清楚，可以用（英文）方程式描述。為什么荷葉能夠不沾水，是因?yàn)樗�滴下面在微納米結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成了成千上萬(wàn)個(gè)小氣囊，這些小氣囊把水滴跟固體相當(dāng)于分開(kāi)，只有很少部分是接觸，其他部分都不是直接接觸。這種狀態(tài)叫開(kāi)始狀態(tài)，用開(kāi)始描述。這個(gè)特性是低黏性，是荷葉的特性。但是一旦這個(gè)水滲透到這個(gè)結(jié)構(gòu)里面，就變成另外一種狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)跟自然界里面看到的玫瑰花花瓣的特性一樣，是黏著狀態(tài)，會(huì)牢牢黏在表面上。一旦形成玫瑰花的狀態(tài)，所有的自清潔功能就沒(méi)有了，所以我們一定要維持荷葉的低粘性自清的特性，而不是玫瑰花的高黏度特性。我們?cè)谌魏谓饘俦砻娲竺娣e過(guò)水，性能指標(biāo)優(yōu)于荷葉。大家可以看到超疏水水滴到表面上以后，會(huì)完全的流下去。我們實(shí)現(xiàn)了組合材料的超疏水，這個(gè)性能都非常好。我們也實(shí)現(xiàn)了玻璃的完全透明和超疏水，這個(gè)也有相當(dāng)大的難度。左邊是激光處理完以后的玻璃，透明性幾乎沒(méi)什么減少，右邊是正常的玻璃。我們實(shí)現(xiàn)玻璃的防護(hù)，玻璃不粘霧，周圍可以看得見(jiàn)。
    做了前面這些工作以后，我們可以寫(xiě)很多論文，但是如果考慮運(yùn)用，我還有三大難題要解決，這個(gè)難題遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我做超疏水表面難得多。像王總前面說(shuō)的，要把它用起來(lái)可以開(kāi)發(fā)很多的挑戰(zhàn)。三大挑戰(zhàn)是什么，剛才說(shuō)的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性，就是荷葉自清潔穩(wěn)定性。另外亞穩(wěn)態(tài)，不是能量最低的狀態(tài)。變到玫瑰花的狀態(tài)，它是穩(wěn)定的狀態(tài)，所以在另外的條件下，比如溫度下降，它自然就會(huì)變成玫瑰花的狀態(tài)，一旦變成玫瑰花的狀態(tài)，它就起反作用，如果把它表面做成玫瑰花，它完全粘住了。
    第二個(gè)問(wèn)題，超疏水怎么樣耐久性。剛才講超疏水是微米納米結(jié)構(gòu)，非常容易損壞，它的耐久性是國(guó)際難題。怎么樣實(shí)現(xiàn)抗結(jié)冰？超疏水是抗結(jié)冰的基礎(chǔ)，但是疏水比抗結(jié)冰難很多，我們下了很大功夫。
    第一是系統(tǒng)研究穩(wěn)定性的問(wèn)題，我們做的很多的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化出來(lái)，什么樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較小。這是我們得到一個(gè)非常高穩(wěn)定性的表面，可以把水滴壓成什么也看不見(jiàn)，分開(kāi)以后它仍然是疏水的，這個(gè)難度非常大，一般的表面變成這個(gè)狀態(tài)以后完全失效。
    我們也請(qǐng)博士后系統(tǒng)分析一下，什么樣的結(jié)構(gòu)可以得到穩(wěn)定性最好的狀態(tài)。通過(guò)這樣下去以后，我們目前得到的穩(wěn)定性是國(guó)際上最好的。這個(gè)穩(wěn)定性把水滴在超疏水表面蒸發(fā)，水分縮小以后，有一個(gè)拉夫拉絲力（音），跟水滴的半徑呈反比。到一定的值以后，又從開(kāi)始狀變成玫瑰花狀，就失效了。
    我們研究了多級(jí)的結(jié)構(gòu)，最少的也就是400，我們幾年前做到900，現(xiàn)在可以做到1600，穩(wěn)定性大大提高。
    第二是耐久性，剛才講了納米結(jié)構(gòu)非常容易損壞，自然界的結(jié)果用微米保護(hù)納米，但是用化學(xué)方法，一說(shuō)出來(lái)它就是納米結(jié)構(gòu)，這個(gè)微米很難做到，也沒(méi)法調(diào)控，但是用激光可以調(diào)控。
    所以我們用微米保證納米以后，我們做的耐久性，就非常好。我們做的沙子磨損實(shí)驗(yàn)，磨了70次。我們也有沖沙實(shí)驗(yàn)，沖了60分鐘。還用交代粘，粘的500次以后還是有耐久。這是我們做的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)這樣處理以后，仍然沒(méi)有改變超疏水的狀態(tài)。我們目前已經(jīng)達(dá)到可以工業(yè)運(yùn)用的量級(jí)，我們還專門做了風(fēng)動(dòng)吹沙和吹塵的實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到航空的要求。
    抗結(jié)冰也是另外的難題，我們也做了系統(tǒng)研究，什么樣的結(jié)構(gòu)在低溫下能夠保持穩(wěn)定，一般表面11分鐘，這個(gè)水滴下面就變成冰了，我們24小時(shí)還不結(jié)冰，這個(gè)非常好。主動(dòng)抗結(jié)冰，因?yàn)轱w機(jī)表面一般都是有加熱裝置，我們?cè)谝延械娘w機(jī)原有的加熱裝置情況下，我們?cè)诔�疏水表面，再做�?shí)驗(yàn)�，F(xiàn)在我們完全可以消除飛機(jī)翅膀前邊結(jié)冰，我們節(jié)能可以達(dá)到70%。一般的表面是50度，它冰還會(huì)結(jié)，我這個(gè)表面5度完全可以避免結(jié)冰，非常有前景。
    超疏水還有什么別的應(yīng)用？我們研究生做了一個(gè)很有意思的研究工作。沙漠里面有一種甲殼蟲(chóng)，一部分親水，一部分疏水。在早上空氣溫度比較低的時(shí)候，只要空氣里面有一點(diǎn)濕度，甲殼蟲(chóng)就把尾巴翹起來(lái)，吸收一定的水，所以即便在沙漠里面，它仍然有能力。我們基于這樣的研究，最近發(fā)了一篇不錯(cuò)的論文，我們集中自然界三種動(dòng)物，一個(gè)就是剛才說(shuō)的甲殼蟲(chóng)，它是疏水和親水圖案化，我們把它做成超疏水和超親水。再利用仙人掌，水滴從中間驅(qū)動(dòng)到底下，所以仙人掌也不怕沒(méi)水。我們?cè)倮�用�?shù)葉的葉脈的結(jié)構(gòu)，把這三種結(jié)構(gòu)集中起來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新的超疏水的結(jié)構(gòu)，像這樣。周圍粉紅色的是超疏水，把中間變成仙人掌，就會(huì)有自驅(qū)動(dòng)的功能。這樣我們就可以把周圍地方的水全部吸收起來(lái)，到水庫(kù)這個(gè)地方，我們就可以把水集中起來(lái)，高效收集起來(lái)。
    先模擬三種狀態(tài)，第一種是甲殼蟲(chóng)狀態(tài)，第二是平衡狀態(tài)，第三是仙人掌的狀態(tài)。這種情況下溫度下降以后收集的水都是隨機(jī)分布，都是分布在這個(gè)點(diǎn)上。中間的點(diǎn)上平衡的，平行的，所以水滴會(huì)集中在任何可能的地方。但是右邊我只要做成三角形的，所有的水都會(huì)集中在右邊比較寬的地方，因?yàn)樗�有一個(gè)驅(qū)動(dòng)。
    這樣我們就可以把周圍地方的水全部收集過(guò)來(lái)，大家看這個(gè)視頻。一會(huì)兒我這個(gè)地方就收了好多水。系統(tǒng)研究一下，即便在位置比較低的地方，我的水也是可以從低往高處流，因?yàn)槲业尿?qū)動(dòng)力足夠大，可以把水從底下驅(qū)動(dòng)到表面上，各個(gè)角度我們都試驗(yàn)過(guò)，無(wú)論是垂直、左右，都可以把水收集過(guò)來(lái)。收集水的效率非常高，比甲殼蟲(chóng)高70多倍。所以我們的設(shè)想，只要在沙漠里面，我?guī)б黄�這樣樹(shù)葉狀的結(jié)構(gòu)，在沙漠里面我就有水喝。
    剛才講的第一個(gè)應(yīng)用是超疏水應(yīng)用，第二是高抗反的應(yīng)用，它非常有應(yīng)用前景，2013年我們發(fā)了一篇文章，多孔三合（音）的結(jié)構(gòu)，里面有孔、有開(kāi)、有點(diǎn)、有細(xì)顆粒。在這樣的表面我們得到了非常低的反射率的表現(xiàn)，從300納米到300微米這樣大的范圍內(nèi)，它的抗反性能非常好，我不知道有沒(méi)有引申的功能，沒(méi)往那方面考慮。
    2017年，我們采用了納米菜花的結(jié)構(gòu)，把它進(jìn)一步下降，1.73，更下降了。后來(lái)做了微那雙級(jí)調(diào)控的方法，我們得到了當(dāng)時(shí)世界上最低反射率的金屬表面，只有1.4左右。
    我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上講到雙級(jí)結(jié)構(gòu)，在中紅上得到了最低的反射率。有一次奧地利率代表團(tuán)來(lái)，我們也交流一下，他們有一個(gè)ARRI公司對(duì)我們非常感興趣，我們做了幾個(gè)樣品給他展示，我們?cè)阡X合金表面，比如說(shuō)12種非常高抗反的材料，這個(gè)比較好一點(diǎn)。
    我們?cè)诮饘俦砻孀隽朔浅４蟮募{米波紋的結(jié)構(gòu)，金屬表面就是彩虹顏色。我們也可以實(shí)現(xiàn)高抗反跟超疏水的結(jié)合。第三方面是高敏感性，因?yàn)楝F(xiàn)在氫燃料汽車非常熱門，從石油制成氫，但是從石油變成氫，我們一方面消耗了石油，另一方面我們?cè)斐闪硕�氧化碳的排放溫室氣體。最好的辦法是直接把水分解成氫和氧，但是常規(guī)工業(yè)電解水效果很低，消化了大量的能量。我們就是把激光做的納米結(jié)構(gòu)，作為電催化的電極用來(lái)制氫和制氧，這是我們第一個(gè)工作。我們第一個(gè)工作在金屬表面做了納米絨毛的結(jié)構(gòu)，把它用在水分子上。左邊是陰極，右邊是陽(yáng)極，加上兩伏的電，左邊冒出很多氫氣，右邊冒出很多央企，是金屬鎳的納米絨毛結(jié)構(gòu)。不同的微納結(jié)構(gòu)有很多功能，要挖掘它的性能。
    現(xiàn)在工業(yè)上用的都是泡沫的鎳，我們的性能比泡沫鎳要更好一點(diǎn)。我們會(huì)有一系列的測(cè)試，看它的性能指標(biāo)等等。激光做的剛才講納米結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定，我們用到什么地方以后它的穩(wěn)定性都非常好。大家看到左邊的這條紅線非常穩(wěn)定，右邊這紅線也是非常穩(wěn)定，說(shuō)明激光做的納米結(jié)構(gòu)確實(shí)是穩(wěn)定的。
    我們?cè)倏紤]鎳比較貴，能不能更便宜一點(diǎn)，我們找了不銹鋼，把不銹鋼表面做成納米結(jié)構(gòu)，我們來(lái)分解。左邊是氫氣，右邊是氧氣，冒出來(lái)，這個(gè)效果非常好，我們申請(qǐng)了國(guó)際專利。我們把它做成氧機(jī)，用來(lái)制氫制氧�？吹街蒲跣�率非常好。
    還有一個(gè)可能的應(yīng)用，我們知道鋰離子的電池用得非常多，但是大家都覺(jué)得鋰離子電池作為汽車?yán)锍逃悬c(diǎn)近，不夠，原因是量不夠。目前已知的容量最大的是什么材料，硅，工作一段時(shí)間以后硅就會(huì)裂解掉。我們用激光處理，讓它變成納米硅的結(jié)構(gòu)，這是表征，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它的充放電性大幅度提高。
    我們的目標(biāo)希望能夠?qū)W習(xí)自然，超越自然，有些方面我們做到了，但是還有好多方面，我們還有很長(zhǎng)的路要走。我看了兩個(gè)加號(hào)，表示我們做得比較好，超疏水方面我們比荷葉做得更好一點(diǎn)，超親水是一樣，定向潤(rùn)濕好一點(diǎn)，自清潔好一點(diǎn)，減阻。我們現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)要產(chǎn)業(yè)化，找到幾個(gè)產(chǎn)品，因?yàn)槲覀冞@些技術(shù)實(shí)際上好多方面都非常有應(yīng)用前景，也希望能夠像王總這樣，把小東西變成有用的東西，也很大，但是需要有人去做。
    好，謝謝大家。

提問(wèn)：有一個(gè)問(wèn)題，您最后說(shuō)要做成產(chǎn)業(yè)化，所以我有一個(gè)問(wèn)題，就是效率和成本的問(wèn)題。
    鐘敏霖：這是幾乎所有人都會(huì)問(wèn)我的問(wèn)題，我前面提到激光一個(gè)很大的難度之一，兩大挑戰(zhàn)是穩(wěn)定性、耐久性，第三大挑戰(zhàn)就是怎么樣提高效率。飛機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)化是A4紙大小，原來(lái)24小時(shí)做一片，現(xiàn)在是1個(gè)半小時(shí)做1片，我希望明年10分鐘左右做1片，這樣覺(jué)得可以吧？還有它的面積大概七個(gè)平米，我不到一周可以做一架，您覺(jué)得可以了吧。
    提問(wèn)：我過(guò)去聽(tīng)過(guò)您的報(bào)告，今天我依然聽(tīng)的如癡如醉，非常棒。請(qǐng)教一個(gè)問(wèn)題，您是從自然學(xué)習(xí)了很多，例如說(shuō)在微米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上進(jìn)行納米化。在實(shí)驗(yàn)室如果純粹把這個(gè)比例結(jié)構(gòu)做很好的特性，你微米基礎(chǔ)上進(jìn)行納米化和純粹納米化之間的區(qū)別，如果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的時(shí)候，會(huì)有什么樣的價(jià)格？
    鐘敏霖：實(shí)際上搞化學(xué)的人有N多的辦法，把一個(gè)表面做一下就出納米，但是這種納米制造的問(wèn)題不太耐久。功能不穩(wěn)定，因?yàn)樗�容易損壞。我們激光的好處就是我可以用微米來(lái)保護(hù)納米，因?yàn)槲覀兊奈⒚拙拖喈?dāng)于成千上萬(wàn)小山包表面覆蓋納米結(jié)構(gòu)，所以我們前邊做的磨損試驗(yàn)，可以把它磨掉，但是我周圍的納米還在，所以我這個(gè)性能肯定比化學(xué)方法做的平的表面好。我們也對(duì)比過(guò)，平的表面沙子磨一下，馬上就什么都沒(méi)了。我們可以磨六七十次，仍然還有，這個(gè)耐久性就顯著提高。
    從性能來(lái)講，如果說(shuō)是超疏水性能，光納米結(jié)構(gòu)不是那么好，有了微米和納米結(jié)構(gòu)性能反而更好。所以為什么荷葉表面性能這么好？因?yàn)樗�有微米和納米。光有微米也可以實(shí)現(xiàn)超疏水，但是性能非常不穩(wěn)定，溫度稍微加一點(diǎn)，沒(méi)了。
    提問(wèn)：非常贊同，我的意思在微米基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)納米化，把它提高到兩個(gè)或者更多的數(shù)量級(jí)，這里面存在著一個(gè)問(wèn)題，如果只是拿著沙子去磨，肯定有一天要把納米給磨掉。這個(gè)實(shí)際的期限，可能對(duì)于不同的case by case肯定不一樣，這是不是定的標(biāo)準(zhǔn)？
    鐘敏霖：實(shí)際現(xiàn)在很多人在研究，論文都是成千上萬(wàn)篇，但是最后發(fā)現(xiàn)應(yīng)用非常難，原因就是穩(wěn)定性和耐久性不行，所以常規(guī)很難解決。至少目前我們已經(jīng)比那時(shí)候好很多，我們應(yīng)該說(shuō)是有可能把它用得非常好。但是有些地方你要做，他肯定受不了。有些地方可以用得很好，就看用到什么地方，要發(fā)揮它的長(zhǎng)處。
    提問(wèn)：您的這個(gè)應(yīng)用前景非常廣闊，我們做激光器，超半導(dǎo)。您剛才提到效率提升的過(guò)程中，對(duì)激光器有什么要求？
    鐘敏霖：穩(wěn)定性要非常好，穩(wěn)定性如果不行，今天做的跟明天不一樣，而且這個(gè)結(jié)構(gòu)變化了以后，性能也會(huì)變，所以穩(wěn)定性特別重要，功率高一點(diǎn)、低一點(diǎn)也可以，穩(wěn)定性如果不行就沒(méi)法用。切割焊接的時(shí)候沒(méi)問(wèn)題，做納米結(jié)構(gòu)很敏感。
    提問(wèn)：鐘老師一直帶領(lǐng)著我們向前進(jìn)，已經(jīng)一二十年了。您在選擇這個(gè)方向的時(shí)候，你是根據(jù)自己的長(zhǎng)項(xiàng)還是前沿？同時(shí)對(duì)于研究生主要要求的能力在哪里，是有探索性的精神，還是我有把握肯定能做出來(lái)。因?yàn)樵蹅冊(cè)瓉?lái)的方向差不多，后來(lái)您轉(zhuǎn)到這來(lái)，非常棒，非常成功，一般人不敢邁出這一步，您認(rèn)為是因?yàn)榍迦A大學(xué)，或者因?yàn)槟�本人，或者是因�(yàn)槭裁�，讓您自己做的轉(zhuǎn)型非�？�，特別成功？謝謝。
    鐘敏霖：我本科是學(xué)激光專業(yè)畢業(yè)的，1983年到現(xiàn)在一直做激光，30多年。前二十年我做激光3D打印等，我們做了最早的脫模噴水（音）也申請(qǐng)了發(fā)明專利，也給王教授、徐工、黃教授他們都用過(guò)。但是我覺(jué)得在清華，我們做工程的在清華不太有利，在華中做工程有非常好的環(huán)境。清華每一個(gè)團(tuán)隊(duì)教授非常有限，不超過(guò)10個(gè)人，我們周圍沒(méi)這個(gè)環(huán)境，也沒(méi)有這個(gè)氣氛。而且現(xiàn)在我們?cè)诓牧蠈W(xué)院，拼命地要發(fā)論文，我如果不發(fā)論文，可能就死定了。所以我當(dāng)時(shí)在2004年的時(shí)候，雖然我們有3D打印，有非常好的技術(shù)，激光服務(wù)，我們也做了很多。但是從我個(gè)人來(lái)講，我還是找另外一個(gè)方向，人家說(shuō)扭頭就走。甚至我們前期參與好多的工作，后來(lái)兩期專項(xiàng)全部不參與，專門做微納米，發(fā)現(xiàn)微納米非常有應(yīng)用前景，而且非常有意思。我選擇的主要的標(biāo)準(zhǔn)，我們要發(fā)展研究，我本身是學(xué)工科出身的，所以我還是要兼顧本身的應(yīng)用。所以現(xiàn)在選擇這個(gè)應(yīng)用，我們搞物理、化學(xué)的比我們強(qiáng)多了，肯定比我們強(qiáng)多了。但是純粹搞物理化學(xué)的人做東西不行，不知道從哪下手�，F(xiàn)在清華要求鼎天立地，我們現(xiàn)在沒(méi)碰到天，也沒(méi)挨著地，在中間晃悠著。
    提問(wèn)：鐘老師，問(wèn)您一個(gè)問(wèn)題，您在做表面納米結(jié)構(gòu)的時(shí)候，最大的深度是多少？
    鐘敏霖：沒(méi)有影響。到300微米。
    提問(wèn)：要用皮秒還是飛秒？
    鐘敏霖：激光最大的好處就是你想做多深都可以，激光這么多的參數(shù)，給了我們很多的自由度。一次不夠可以掃一百次，原來(lái)30微米，現(xiàn)在變成60微米，你再掃一百次可以變成90微米，一樣的。
    提問(wèn)：好，謝謝。
    提問(wèn)：鐘老師您好，很久以前就聽(tīng)您在這方面做得很好，今天頭一次聽(tīng)您報(bào)告，想問(wèn)的很多。我想問(wèn)一下您在表面疏油這一塊做過(guò)嘗試沒(méi)有？
    鐘敏霖：做過(guò)，吉林大學(xué)的蘇（音）老師應(yīng)該比我早得多，他們團(tuán)隊(duì)做得非常好，我跟他稍微方向不同。其實(shí)有兩個(gè)原因，因?yàn)橛捅人�低很多，油大�?0多。所以一般的微納結(jié)構(gòu)超疏水非常好，超疏油就不行。國(guó)際有一篇論文，如果要疏油就必須倒插式的結(jié)構(gòu)。我們一般都是柱子，上面小，下面大，柱子，倒著來(lái)，因?yàn)榈怪鴣?lái)可以有向上的力，可以把它強(qiáng)度做大。我們有一個(gè)碩士研究生做的工作，先是在平面上，因?yàn)榈共褰Y(jié)構(gòu)一般方法可以做，但是這個(gè)成本很高，也做不了太大。還有一個(gè)纖維的方法，因?yàn)樗�是表面上，下表面直接以下還有一丁點(diǎn)，上面比下面大，所以有一些纖維的表面有一定的疏油功能。
    我們的想法：第一，在激光表面提供一個(gè)微米柱上的納米草，實(shí)現(xiàn)了疏油。什么原因？因?yàn)榘阉�放在平面上，下面倒插結(jié)構(gòu)非常少，如果把這個(gè)纖維放再一個(gè)三維的柱子表面豎起來(lái)，倒插的結(jié)構(gòu)就會(huì)出來(lái)很多，比平的表面出來(lái)很多，所以通過(guò)這樣我們實(shí)現(xiàn)了完全的疏油。


激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會(huì) 介紹

會(huì)議以激光技術(shù)、增材制造及再制造相關(guān)光電技術(shù)為主題，針對(duì)航空航天交通領(lǐng)域高質(zhì)量復(fù)雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護(hù)等迫切需求，開(kāi)展面向增材制造及再制造的設(shè)計(jì)、材料、工藝及裝備、檢測(cè)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等相關(guān)光電技術(shù)應(yīng)用研討，提升增材制造及再制造技術(shù)的數(shù) 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅(qū)動(dòng)中國(guó)制造高質(zhì)量發(fā)展。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國(guó)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機(jī)遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，推動(dòng)制造業(yè)先進(jìn)性發(fā)展，是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效、重塑產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，是加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)步伐，加速推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴(kuò)張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實(shí)際行動(dòng)貫徹落實(shí)黨的十九大精神的具體體現(xiàn)。

主辦單位：
中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)
北京亦莊國(guó)際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國(guó)際激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
高能束流加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
增材制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
會(huì)議網(wǎng)址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html