飛機輪船芯片文物…它都能輕松清洗，這把“光之掃帚”有多厲害？

清洗，是與人類生產生活實踐關系十分密切的行為。我們對于清洗都不陌生，因為我們每天都要洗臉、洗碗、洗衣服、擦洗家具、拖地。在工業生產中，儀器設備、交通工具、建筑物等外表面的污漬、破損油漆、銹蝕等需要定期去除。可以說，清洗無所不在，是維持我們生活和生產秩序的基礎環節。

如果說得專業點，清洗可以這么定義：去除物體表面（如人臉、地板、輪船外殼、飛機外皮、車床、墻壁）的污染層或覆蓋層（如灰塵、油污、銹蝕等），而使其恢復原表面狀況的過程稱為清洗。

隨著生產力發展和社會進步，清洗已發展成一門涉及范圍廣泛、內容豐富的實用技術。在生活中，我們研究洗臉膏、洗衣粉、地板去污劑等，進行洗臉洗衣服拖地擦桌椅，去除灰塵污漬等污染物，使其恢復到原先的干凈狀態；在工業生產中，我們研究化學試劑、噴砂等技術，去除鐵板上的銹蝕、管道里的污染物，使其恢復最初的狀態。

清洗的意義是顯而易見的。在日常生活中，清洗可以提高衛生標準，利于人體健康，保護生活環境，提高物體外觀的價值，從而提高人們生活質量。工業清洗的意義則更多，主要有體現在以下幾個方面：

1.改善設備外觀，凈化美化環境。

2.去除污漬污垢，維持正常生產。

3.擴大運行周期，延長設備壽命。

4.提高生產能力，提高產品質量。

5.減少能源消耗，降低生產成本。

6.減少生產事故，有利人體健康。

總而言之，清洗的目的就是去除污染物，恢復物體本來面目，提高生產效率，保持環境潔凈。

所以，清洗對于人類的生產生活是不可或缺的，不斷發展清洗技術，可造福人類。在接下來的內容中，我們將深入探討一種綠色、高效的清洗技術——激光清洗。

傳統清洗技術：效率與環保的困境

清洗技術多種多樣，根據清洗原理，可以分為物理清洗和化學清洗（生物清洗也可歸類于化學清洗）技術。

物理清洗技術：顧名思義是利用物理原理，如力、熱、光、電等，從待清洗物體表面去除污染物。它具有安全、無腐蝕的優點。例如，我們用毛巾洗臉就是最簡單的物理清洗。在工業上，傳統的物理清洗技術主要有：噴砂、高壓水、干冰、電磁波以及超聲波。

化學清洗技術：則是采用化學溶劑通過化學反應，使得污染物被清洗掉。它具有快速、高效、成本低等優點。比如，我們用肥皂洗衣服，就屬于化學清洗。常用的化學清洗方法有：化學試劑清洗、電化學分解清洗、微生物清洗，等等。

然而，傳統的物理和化學清洗方法也存在明顯的不足，例如，化學試劑清洗可能會對物體帶來侵蝕，還會產生大量廢液，對環境造成污染；而機械打磨時產生的粉塵會彌漫在車間，還會產生噪音，影響工人健康。

面對這些問題，我們不禁要問，清洗一定要以環境污染作為代價嗎？當然不是！科學家們正積極研發一種新的清洗技術——激光清洗技術，它被譽為“21世紀的綠色清潔技術”。

激光清洗的起源：一次偶然的發現

談到激光，大家并不陌生。然而，將激光用于清洗的奇妙想法，卻源于一個偶然的發現。

1965年，諾貝爾獎獲得者Arthur Schawlow發現，用脈沖激光照射油墨印刷的紙張時，紙張表面的墨跡會瞬間汽化消失，而紙張基底不受損傷，如圖1所示。基于這一現象，他首次提出了“激光擦”(laser eraser)的概念。

圖1 激光擦——激光照射去除墨跡

（圖片來源：參考文獻[1]）

1969年，在加州大學伯克利分校的空間科學實驗室，貝德爾（S. M. Bedair）等人，在美國宇航局（NASA）劉易斯研究中心的研究項目中，嘗試用激光清除鎳材料表面的氧和硫污染，他們構建了理論模型，并分析了激光清洗的優點和不足。

接著，激光清洗在文物保護中開始顯現身手。阿斯慕斯研究團隊在1973年的一個國際會議上報道了他們用激光清洗藝術品的實驗。此后，他們對石雕、壁畫、古建筑物等文物和藝術品進行了激光清洗，深入研究了激光清洗前后的文物形貌和表面屬性的變化。現在，激光清洗文物已經成為文物修復和保護的一個非常重要的手段。

1987年7月2日，扎普卡在德國申請了第一個關于激光清洗的專利EP0297506A。同年，蘇聯科學家彼得洛夫課題組率先發表了激光清洗物體表面微粒的論文，這是公認的第一篇激光清洗微粒方面的論文。該論文的作者之一Prokhorov是激光領域的先驅，他于1964年因為激光方面的開創性工作和突出貢獻，與湯斯、巴索夫共同獲得了諾貝爾物理學獎。

此后，激光清洗在除漆除銹、清除電子線路板、模具等方面得到了研究和應用，美國和歐洲國家在激光清洗方面一直走在前列。如今，激光清洗已經用于機械、化工、微電子與文物保護等眾多行業。

激光清洗的“秘密武器”：選擇性吸收與瞬時轉化

那么激光是如何實現擦除和清洗的呢？其核心在于材料的選擇性吸收和能量的瞬時高效轉化。主要過程如下：

精準的能量投遞（“激光槍”發射“光子彈”）：激光器產生一束高亮度、方向性好和特定波長的相干光，照射污染物表面。這就像無數高能量的“光子彈”擊中了目標。

選擇性吸收（污染物“貪吃”，基體材料“挑食”）：對于不同波長的光，不同物質的吸收程度存在差異。我們選用容易被污染物吸收，而基體材料不易吸收的激光波長進行清洗。可以形象地理解為，我們選擇性地“投喂”一些污染物愛吃的“光子彈”，而基體材料對這些“光子彈”不感興趣，幾乎不吸收。這樣，激光能量主要被污染物吸收，而基體材料幾乎不受損傷。

能量的瞬時轉化（“光子彈”變“熱炸彈”）：污染物吸收的“光子彈”在極短的時間（通常是納秒、皮秒甚至飛秒量級）內，通過光熱效應瞬間轉化為熱能。這導致污染物溫度急劇升高。

污染物的去除（被高溫或爆破力“趕走”）：在這突如其來的高溫下，污染物將無法穩定存在，同時或先后發生如圖2所示的幾種變化：

1. 分解或蒸發：當激光能量足夠高時，污染物的溫度將超過其分解和氣化溫度，變成蒸汽或分解氣體飄走。這是最主要的去除方式。
2. 熱膨脹誘導的崩裂和噴射：極高的升溫速率會導致污染物內部產生巨大的溫度梯度，使得漆層內部產生極大的熱應力。這種熱應力導致污染物劇烈膨脹，瞬間崩裂成微小的顆粒并噴射出去。
3. 界面剝離脫落：當污染物層較薄時，“光子彈”能夠穿透污染物到達其與基體材料的界面處。二者的顯著熱膨脹系數的差異導致在界面處產生巨大的熱應力。這將導致污染物層以相對較大的碎片或薄片形式從基材表面整體剝落。

圖2 激光清洗的原理示意圖

（圖片來源：作者供圖）

激光清洗：從工業到文物的“多面手”

激光清洗憑借“無污染、高精度、不傷基體、易自動化”的優勢，正越來越多地在工業應用中獲得青睞，目前已在眾多領域一展身手。

芯片行業：在指甲蓋大小的芯片上，密密麻麻排列著數十億個晶體管。激光清洗就像拿著光做的“納米橡皮擦”，能精準擦除0.1微米級的灰塵顆粒（相當于頭發絲的百分之一粗細）。這大大提高了芯片的良品率和可靠性。特別是現在流行的3D芯片封裝（把幾層芯片像搭積木一樣疊起來），結構非常復雜，激光清洗更是成了必不可少的“清潔大師”。

交通行業：飛機、輪船、火車等交通工具在使用一段時間后，油漆層和基體材料會破損，甚至被腐蝕。為了確保安全，需要定期清潔和維護。然而，傳統的化學清洗污染環境且容易腐蝕基體，機械打磨也容易損傷基體。目前，激光清洗已在大量飛機、輪船、火車等交通工具的激光清洗研究和初步應用中展現出巨大潛力。

圖3 ARLCRS對F-16戰斗機進行激光除漆

（圖片來源：參考文獻[2]）

文物清洗領域：目前常用的文物清洗方法主要有：刮、擦、刷、超聲波等物理方法，以及化學試劑擦拭等化學方法。這些清洗方法對文物都有一定的損傷。而有些文物，如絲綢、紙張等，甚至于無法使用這些方法進行清洗。超短脈沖激光卻能精準地剝離表面的污垢層，且不損傷脆弱的基體材料（如顏料、紙張纖維、大理石等）。故宮、敦煌研究院這些守護國寶的“大內高手”們，已經用它成功讓許多寶貝重現光彩了！

激光之光，點亮潔凈未來

激光清洗技術，這把高效的“光之掃帚”，不僅帶來了清潔方式的革命，更是我們追求可持續發展、建設美麗家園的有力工具。它顯著減少了傳統清洗方式帶來的水污染、空氣污染和化學污染風險，實實在在地幫助我們擁有更加潔凈、健康的生活和工作環境。

隨著技術的不斷成熟和普及，激光清洗將在守護藍天、碧水、凈土的道路上，扮演越來越重要的角色，讓“潔凈”成為我們環境更鮮明的底色。

參考文獻：

[1]A. Schawlow, Lasers: The intense, monochromatic, coherent light from these new sources shows many unfamiliar properties, Science, 149(3679) (1965) 13-22.

[2]Z. Liu, J. Cheng, Z. Li, et al, Removal of composite coating from 2024 aluminum alloy surface by CO2 laser cleaning, Electroplating & Finishing, 40(12) (2021) 974-979.

出品：科普中國
作者：宋峰（南開大學物理科學學院教授）林德惠（南開大學物理科學學院碩士研究生）
監制：中國科普博覽