纳秒脉冲光纤激光清洗铝合金表面天然海洋微生物污垢（2）
发布时间：2022-05-24 来源：江苏激光产业技术创新战略联盟
江苏激光联盟导读：
本工作为激光清洗铝合金表面海洋微生物污垢提供了基础研究和实践指导。本文为第二部分。
3.2 微观结构表征
图7（a）和（b）显示了覆盖有海洋微生物污垢的未清洁样品的表面和横截面微区形态。从背散射SEM图像（图7（a）），观察到四个具有不同颜色对比度的典型区域，这可能对应于不同的元素组成。如图7（b）所示，海洋生物膜的厚度不均匀。图7（c）显示了通过EDS获得的未清洁表面的化学成分，图7（a）中有四个标记为a、b、c和d的点。为了便于分析，元素组成分为四类：C、O、Al和含有钠、硅、P、S、K、Ca、Cr和Fe的无机盐。需要注意的是，来自Al–Mg–Si合金基底的Si和Mg也包含在无机盐中。
图7 （a）激光清洗前覆盖铝合金板表面的微生物污垢表面形态和（b）微生物污垢横截面形态的SEM图像，以及（c）未清洁表面的化学成分。
图8（a）显示了宏观表面形态的低倍背散射SEM图像，清晰显示了不同对比度的区域。从这种表面状态，通过在铝合金表面观察到的不同颜色，可以清楚地看到某些特定元素的位置，如Al、O、Na、K、C和Ca（图8（b–g））。因此，基于微观分析，在铝合金基底上形成的微生物污垢具有不均匀的化学成分和复杂的表面条件，这可能给激光清洗带来一些新的挑战。
图8 (a)低倍背散射SEM图像和(b) - (g)铝合金板表面微生物污垢的元素分布。
图9显示了在不同激光注量下激光清洗后铝合金表面的SEM形貌。激光清洗后的表面与激光清洗前的表面明显不同（图7、图8）。可以看到，在激光清洗后，图9中标记有A、B、C和D等大的光滑区域以及一些微小的凹坑被暴露出来。较大的光滑区域是铝合金基体表面在清洁后暴露。随机分布的凹面1–10 μm的大小不是由激光清洗引起的，而是与基板本身的状况有关。凹坑的形成是由于轧制过程中产生的收缩。对于所有样品，根据表面状态的特征可以推断，熔化发生在激光清洗过程中。Alshaer 等（2014）在激光清洗钛/锆和铝合金润滑涂层时也发现了这种熔化现象。在这种情况下，可以得出结论，激光束同时影响了清洗和熔化。此外，激光清洗表面仍存在一些不规则（E点）和微米级（F、G、H）残留物。这表明，即使使用了最高的单脉冲能量，污染物也没有被完全清除(图9(d))。
图9 不同激光注量下激光清洗表面的SEM图像。
图10（a）和（b）分别显示了不同激光注量下激光清洗表面和残留在激光清洗表面上的EDS结果。根据激光清洗表面的EDS分析，基底表面主要由Al组成(∼88 wt%），以及微量的C、O和无机盐元素（图10（a））。铝含量达到原铝合金基体表面铝含量的91.7%。一般来说，激光清洗后的表面在不同的激光注量下显示出相似的化学成分。对于残留物，EDS分析结果差异很大（图10（b））。对大量生物元素C和O以及无机盐元素（Na、K等）的检测证实，残留物是剩余的海洋微生物污垢（图10（b））。
不规则残渣含有更多的元素，如P, Ca, Ti, Cr, Fe和Cu。有机元素C的含量从1.38 J/cm2和2.74 J/cm2的30 wt%以上下降到4.14 J/cm2和5.52 J/cm2的8 wt%左右。结果表明，在较高的激光辐照量下，微生物污染的去除效果较好。无机盐元素含量随激光辐照量的增加下降相对缓慢，从25.45 wt%下降到17.7 wt%。微生物污垢中的无机盐比蛋白质、多糖等更难通过激光清洗去除。这可能是由于某些盐的熔点较高。这些盐没有与纳秒脉冲激光束充分反应，因而以残留物的形式残留在铝合金表面。
图10 （a）激光清洗表面和（b）在不同激光通量下残留在激光清洗表面上的残留物的化学成分。
使用SEM进行的横截面观察（图11）表明，激光清洗表面上确实存在一些残留物（标记为白色箭头）。这与表面SEM图像一致（图9）。在铝基体内部，分布在深色铝基体中的白色相为Mg2Si强化相，这是铝合金典型微观结构的特征。当激光影响为1.38 J/cm2和2.76 J/cm2时，表面残留物厚度较大。清洗后残留的微生物污垢顶部变得更加平坦。在逐层激光去除下，微生物污垢消失。结果表明，随着激光能量的增加，残余层的平均厚度和尺寸明显减小。特别是在4.14 J/cm2和5.52 J/cm2的激光影响下，残留的微生物污染层厚度均小于5 μm(图11(c)和(d))。这表明铝合金表面处于几乎完全清洁的状态。
图11 在不同激光注量下获得的激光清洗样品的SEM横截面图像：（a）1.38 J/cm2，（b）2.76 J/cm2，（c）4.14 J/cm2和（d）5.52 J/cm2。
由图12可知，经过第三次清洗循环后，激光影响为2.76-5.52 J/cm2，可以对海洋微生物污染进行清理。激光通量为1.38 J/cm2，清洗能力有限，效率低。即使经过第20个周期，残余厚度仍高达20 μm。原始微生物厚度约为61.7 μm。从前2个清洗周期的结果来看，分别为2.76 J/cm2、4.14 J/cm2和5.52 J/cm2，第2个周期的去除生物膜厚度比第1个周期的要厚。说明下部海洋微生物污染较上部更容易被去除。这与海洋微生物污染复杂的化学组成和层析成像有关。上部是由一些复杂的微生物组成，下部主要是EPS等。EPS的成分和形貌比较均匀，更容易逐层清洗。对于4.14 J/cm2和5.12 J/cm2的激光影响，在第3个周期内，激光能量并没有完全用于去除微生物污垢。大部分额外的激光能量用于加工基板表面。因此，有必要对基板表面进行进一步的分析。
图12 在不同激光能量密度下，剩余生物膜厚度随清洗循环次数的变化。
为了揭示激光清洗基板表面的其他细节，AFM被用于研究激光清洗后表面微观地形变化。三维AFM剖面如图13所示。图14显示了激光清洗表面上微区域的平均测量表面粗糙度与激光注量的关系。在1.38 J/cm2和2.76 J/cm2的影响下，激光清洗后的表面粗糙度(Ra)值相似，分别为18.7 ± 3.6 nm和17.5 ± 2.5 nm。表面最大波动值分别为175.7 nm和169.4 nm。此外，三维轮廓显示基板表面上的突起(图13(a)和(b))。图中稀疏的突起对应于白色的固体颗粒。清洁后，颗粒粘附在基材表面，可识别为残留物。它们可能是原始海洋微生物污染的残留物，也可能是激光诱导生物等离子体的再沉积。在纳秒脉冲激光微细加工的作用下，表面呈现出基体材料的重铸特性。Long等人(2019)也发现，当使用纳秒激光时，纳米结构的形成对激光脉冲能量很敏感。获得纳米结构需要高的激光脉冲能量。
图13 对应于不同激光注量的激光清洗表面微区的AFM图像：（a）1.38 J/cm2，（b）2.76 J/cm2，（c）4.14 J/cm2和（d）5.52 J/cm2。
图14 对应于不同激光注量的激光清洗表面微区的平均表面粗糙度（Ra）。
上述三维地形特征可能会给基底表面带来一些特殊功能。致密的纳米结构可以改变基底表面的初始状态，进而影响疏水性。因此，进一步分析了激光清洗后基板表面的润湿性。图15显示了不同激光注量下激光清洗表面的水接触角。对于1.38 J/cm2和2.76 J/cm2的激光影响，表面可以用Wenzel模型解释，液体填充在粗糙表面。对于4.14 J/cm2和5.52 J/cm2的激光影响，激光清洗后的表面表现出良好的疏水性。激光辐照度为5.52 J/cm2时，表面还具有154°的超疏水性能。其较强的疏水性与表面粗糙的纳米结构有关。
图15 对应于不同激光注量的激光清洗表面的水接触角。
4、讨论
关于激光清洗技术，近年来一些研究侧重于去除不同的物体，如金属膜、颗粒、油或油漆。这些研究可为该技术在自动化、航空和航天工业中的应用奠定基础。然而，对于海洋工业而言，除了少数关于激光辐照处理或杀死细菌或硅藻的研究外，很少有研究使用激光清洗去除海洋微生物污垢。先前关于激光处理海洋微生物的研究表明，低注量激光照射一段时间后，可导致海洋细菌死亡。需要注意的是，参考文献中使用的脉冲频率很低(5 Hz和10 Hz)，激光照射时间过长(5 min、10 min和15 min)。它们与本工作中使用的激光清洗有很大不同。随着快速激光器的发展，纳秒激光清洗技术应运而生。这项技术可能是一种有希望的高效除雾工具，可以快速去除固体表面的微生物污垢，而不是杀死海洋微生物。这对海洋工业的未来应用可能会有很大的好处。
基于计算流体力学（CFD）建立了AA6061铝合金与Al-Mg2Si复合材料异种接头搅拌摩擦焊接过程的三维粘塑性材料流动模型。
直接处理微生物而不从基质中提取微生物的报道很少。一般来说，海洋微生物污垢的元素组成特征很差。常用的生物分析技术不适用于评估激光诱导去除海洋生物膜的效果。原因是生物分析技术总是要求激光处理前后的微生物污垢保持活性，以比较细菌去除数量或细菌覆盖面积。从这个意义上说，微观结构表征使我们能够直观地评估激光对海洋微生物的清洗效果，而不是将它们从微生境中提取出来并使其存活。通过这种方式，可以明确确定激光清洗海洋微生物污垢的不同程度，以及对金属基底的影响。
如上所述，高功率脉冲纳秒光纤激光器（1064 nm，30 ns，20 kHz）可有效清除铝合金表面的海洋微生物污垢。研究了各种激光清洗参数（激光注量、平均激光功率和频率）的组合，以确定产生的平均微生物污垢去除厚度。可以从横截面SEM图像测量厚度。生物膜去除率（μm/脉冲）相对于激光注量（J/cm2）的变化如图16所示。如图所示，去除厚度强烈依赖于激光注量。
图16 每脉冲生物膜去除厚度随激光注量的变化。
根据图17，铝合金的烧蚀阈值约为0.78 J/cm2。因此，由于激光注量高于基板损伤阈值，激光清洗表面在不同激光注量下或多或少显示出相同的熔化现象（图9）。虽然在清洗过程中，所采用的激光参数可能会导致表面熔化或微加工，但对基板的损伤很小。在5.52 J/cm2的影响下，铝合金的去除厚度小于2 μm，不会对后续使用产生不利影响。此外，还采用XRD分析来评价激光清洗后的新表面的相组成。值得注意的是，在激光清洗前后，既没有观察到新的峰值，也没有观察到峰值强度的变化。说明清洗过程中没有发生相变。
图17 每脉冲铝合金基板去除厚度随激光注量的变化。
图18显示了本实验中不同激光注量下的激光清洗效率。多个激光器同时工作可进一步提高清洗效率。此外，从清洁生产的角度来看，用激光清洗代替化学和物理清洗是有益的。生产方面的显著优势是：
（1）它高效、快速、经济，在基板上具有较低的热负荷和机械负荷。整个清洗过程不会损坏原材料，只会清除海洋材料表面的微生物污垢。
（2）它可以去除不同厚度和成分的各种微生物污垢。
（3）它对环境的影响最小。该工艺不需要磨料、化学清洁剂或掩蔽材料。
（4）产生的废物很少，剩下的废物是无害物质。
（5）该过程产生的噪音非常低，甚至几乎没有噪音。
（6）这是一种高度选择性、可靠、精确和安全的清洁方法。
（7）清洗过程可以很容易地自动控制。
图18 不同激光注量对应的激光清洗效率。
显然，激光清洗为清洁生产提供了一种有效的手段和替代方案，可以清除海洋材料表面的微生物污垢。
激光对海洋微生物的影响可能取决于不同的因素，包括海洋生物膜的化学成分、微生物污垢厚度和激光吸收率。在激光清洗过程中，厚的海洋生物膜可能会带来一些额外的困难。尽管纳秒脉冲光纤激光对微生物的清洗不能完全归结为固定的物理和化学机理，但基于以往的研究，可以用一些具体的理论观点来解释去除过程。如Wilson（1993）所述，高功率脉冲激光可能具有光烧蚀影响。温度升高导致细胞蒸发和变性，这通常发生在激光波长与红外区域相对应时（Ward等人，2000年）。
众所周知，海洋生物膜主要由75-90%的基质和约10-25%的生物体组成。基质包含不同的生物聚合物，主要是EPS、蛋白质、脂质和DNA。EPS从自然海水环境中捕获营养物质，并将其传输到生物膜中，以便随后附着、发育和生长生物污垢。关于激光与生物膜之间的相互作用的讨论很少。在激光医学领域，生物组织的热传导可以用1948年建立的Pennes模型来解释。到目前为止，还没有合适的数学模型来揭示激光清洗铝合金表面微生物污垢的潜在去除机制。
根据获得的实验结果，图19阐明了通过激光清洗去除微生物污垢的特殊物理过程。从EDS分析结果来看，元素分布揭示了海洋微生物污垢的复杂化学成分。一些白色对比区域随机分布在与铝氧化物相对应的微生物污垢附近。氧化铝的熔化和沸腾温度分别为2327 K和3253 K。可以推断，在激光清洗过程中，在表面上观察到的烧蚀温度高于氧化铝的沸点。这将导致铝氧化物的去除。众所周知，金属氧化物的沸点远远超过微生物的沸点。这样的高温很容易烧蚀和蒸发微生物污垢。在此过程中，使用电荷耦合器件相机在清洁表面上方产生大量等离子体。烧蚀也称为光学破坏，主要由等离子体电离引起，不取决于清洁物体的特性或性质。
图19 激光清洗去除铝合金表面海洋微生物污垢的物理过程。
这表明，几乎所有类型的微生物污垢，即使是对固体表面粘附力最强的微生物污垢，都可以被烧蚀。此外，利用高速摄像机拍摄到大量飞溅的微小颗粒状微生物污垢。这表明，激光清洗也可以在表面施加力，将微生物污垢粉碎成微小颗粒。
遗憾的是，测量微型生物膜吸收系数的技术目前还不成熟，要获得微型生物污垢的准确物理参数也不现实。对于输出的1.06 μm波长激光，由于微生物污垢的吸收能力较弱，可以认为大部分激光通过表面微生物被Al衬底吸收。以下为本次分析中所做的具体假设，并据此计算出衬底表面温度:
（a）激光脉冲形状为矩形。
（b）铝合金基体具有足够的厚度。
（c）1.06 μm波长激光被铝合金基体完全吸收。
得注意的是，热量仅由单个激光光斑内五个脉冲中的一个产生。实际上，表面温度将远远超过微生物污垢的沸点。脉冲序列所累积的热量产生非常高的温度，导致表面微生物污垢和材料瞬间蒸发。
根据上述分析和讨论，激光清洗为去除海洋工程材料表面的海洋微生物污垢提供了一种很有前景的替代方法。在未来的研究中，可以对藤壶和贻贝等大型生物污垢以及激光清洗表面的功能进行研究，以进一步扩大应用领域。
5、结论
在这项工作中，创新性地利用高效环保的高功率纳秒光纤激光清洗技术，直接去除铝合金表面自然生长的化学复杂微生物污垢。对未清洁和清洁的样品表面的形貌和化学成分进行了检测和分析。主要研究结果有助于海洋除油和防污。
（1）这项工作是利用环境友好的纳秒脉冲光纤激光清洗技术去除金属基底上海洋微生物污垢的一次尝试。可以成功去除复杂多样的微生物污染物。
（2）主要有用激光注量在2.76 J/cm2和5.52 J/cm2之间。它可以实现优异的表面质量。
（3）由于温度升高，海洋微生物污垢的主要去除机制似乎是快速蒸发和烧蚀。
（4）在清除微生物污垢后，激光清洗也会导致金属表面熔化和微加工，但这些都会对基底造成最小的损坏。
（5）在特定激光通量下（5.52 J/cm2），表面甚至具有额外的超疏水性，这为定期使用防污提供了可行性。
（6）激光清洗表面的抗菌粘附性和耐腐蚀性等功能需要进一步研究。由于平均功率的气候变化，激光清洗目前不适合快速去除宏观生物污垢。
（7）这项研究表明，纳秒激光清洗技术在未来可用于清除关键轻型海洋结构物表面的海洋微生物污垢，如海洋核动力装置、航空母舰、高速炮艇、战略石油储存装置和海上航天器。
