月尘是阻碍人类探索月球的重要空间环境因素之一，由月尘引发一系列的机械、热控系统及光学表面失效问题亟待解决。因此，发展有效的月尘抑制方法对于探月任务的顺利进行至关重要。不依赖外部能源的被动防尘技术是解决月尘问题的有效途径之一，通过微结构设计实现表面的被动防尘技术已经成为当前研究的一个热点。然而，目前报道的被动防尘表面仍存在制备复杂、效率低下、难以大面积应用等问题，限制了其在工程中的应用。此外，灰尘颗粒与固体表面间的粘附模型及作用机制仍缺乏深入研究。
近日，西安电子科技大学王卫东教授、中物院成科中心唐昶宇研究员联合苏州大学、兰州空间技术物理研究所、中国科学院地球化学研究所等单位研究人员以“Rapid Fabrication ofAntilunarDust Aluminum Surface by Nanosecond Laser Etching”为题发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。博士生王晓为本文第一作者，西电机电工程学院为第一单位。
该研究采用纳秒激光刻蚀方法制备了具有不同结构参数的多层次微结构铝基表面，通过原位SEM实验和分子动力学模拟对月尘颗粒与表面之间的动态接触过程进行了表征。结果显示，多层次微结构的存在减小了颗粒与表面之间的接触面积，进而减小了粘附力。原子力显微镜的微力结果显示，纳秒激光刻蚀铝基表面（线间距80μm）与模拟月尘颗粒之间的粘附力仅为9.58nN，比原始铝片（20.22nN）的粘附力下降了52%。数字图像方法统计结果表明，在相同扬尘环境中，激光刻蚀表面（线间距80μm）比原始铝基表面的尘埃覆盖率下降了约85%，极大提高了铝基表面的防月尘粘附效果。
此外，通过设计翻转实验，表征了不同表面的主动除尘能力。结果表明，在以5°/s速度翻转90°后，原始铝基表面的尘埃附着量仍超过85%，而刻蚀表面的灰尘附着量均低于17%。其中，最优激光刻蚀表面（线间距80 μm）翻转后尘埃附着量仅为4.1%，展现出显著的防月尘粘附效果。
这项研究工作结合微观力学实验和宏观统计分析，分析并证实了“多层次微结构减弱月尘颗粒粘附作用”的有效性与作用机制。研究直观且定量地表明，多层次微结构通过减少月尘颗粒与固体表面之间的接触面积、减小了粘附力，从而实现了月尘有效防护。此外，本文提出的利用纳秒激光快速、可控大面积制备铝基防尘表面的技术，有望为探月工程中的月尘防护提供一种新颖有效的技术途径。（通讯员：王晓 张骥）
