近期，合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院吳思竹教授、勞召欣教授課題組在超快激光加工領(lǐng)域取得多項研究成果，相關(guān)論文分別發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》、《Small》和《Corrosion Science》。

研究團隊將飛秒激光加工引導(dǎo)的雙向?qū)ΨQ毛細力自組裝用于手性光學(xué)結(jié)構(gòu)加工。提出了一種基于角度補償和pH調(diào)控策略的雙向?qū)ΨQ手性微結(jié)構(gòu)原位制備方法。該方法采用飛秒激光直寫構(gòu)建pH智能響應(yīng)性水凝膠微柱陣列，巧妙利用溶液蒸發(fā)產(chǎn)生的動態(tài)毛細力驅(qū)動自組裝過程，通過將智能材料動態(tài)響應(yīng)特性與激光微加工精準操控相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)調(diào)諧困難的瓶頸。為了克服傳統(tǒng)智能材料變形不對稱的問題，團隊引入了結(jié)構(gòu)角度補償與pH協(xié)同調(diào)控策略，并建立了手性結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計模型。通過渦旋光探測技術(shù)，驗證了所制備手性微結(jié)構(gòu)的對稱渦旋二色光譜特性。該進展以“Bidirectionally Symmetric Self-Assembly of Switchable Chiral Microstructures based on Angle Compensation and pH Regulation Strategy for Chiroptical metamaterials”為題于2025年2月11日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

圖1. 飛秒激光加工引導(dǎo)的對稱調(diào)諧手性自組裝

研究團隊設(shè)計了一種電熱-磁復(fù)合驅(qū)動的形狀記憶微夾持器（EM-SMP）。該微夾持器通過飛秒激光加工技術(shù)實現(xiàn)高精度制造，并在形狀記憶聚合物基體中嵌入Fe?O?顆粒和電阻絲，從而能在電流和磁場作用下實現(xiàn)快速響應(yīng)（響應(yīng)時間約為0.9s）。該設(shè)計在操作過程中僅在夾持器張開時施加磁場，閉合則通過電熱觸發(fā)的形狀記憶效應(yīng)完成，使其能夠在無磁干擾的情況下安全夾持磁性物體，并在冷卻后實現(xiàn)無需能耗的穩(wěn)定鎖定狀態(tài)。此外，其獨特的爪形結(jié)構(gòu)有效提升了負載能力，自重負載比高達2380，顯著增強了夾持性能。該進展以“High-Load Shape Memory Microgripper with Embedded Resistive Heating and Magnetic Actuation”為題于2025年2月3日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

圖2. EM-SMP夾持器工作機理示意圖

研究團隊設(shè)計了一種磁/光雙響應(yīng)形狀記憶夾持器。通過將Fe?O?納米顆粒嵌入形狀記憶聚合物（SMP）基體，賦予材料光熱轉(zhuǎn)換與磁響應(yīng)特性?；陲w秒激光加工與模板復(fù)刻技術(shù)，制備了可精確調(diào)控的微結(jié)構(gòu)夾爪。在近紅外光（NIR）與環(huán)形磁場協(xié)同作用下，夾爪通過光熱效應(yīng)軟化并受磁力驅(qū)動展開至臨時開合態(tài)；撤去磁場后，其形狀可固定，而再次施加NIR則觸發(fā)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)閉合態(tài)。實驗表明，該夾持器可操控跨尺度物體（微米級液滴至厘米級金屬件），最大負載達自身重量的1730倍，并能在密閉空間內(nèi)精準轉(zhuǎn)移固體與液體。此外，其成功應(yīng)用于多種微液滴操控及液態(tài)金屬電路控制，為微創(chuàng)手術(shù)器械與工業(yè)精密操作提供了創(chuàng)新解決方案。該進展以“A Versatile Dual-Responsive Shape-Memory Gripper via Additive Manufacturing Toward High-Performance Cross-Scale Objects Maneuvering”為題于2025年1月24日發(fā)表于《Small》。

圖3. 磁/光雙響應(yīng)形狀記憶微爪磁熱協(xié)同驅(qū)動與跨尺度操控

研究團隊提出飛秒激光表面處理（FLSP）新策略。通過調(diào)控激光功率（100–400 mW）在LPBF鈦合金表面構(gòu)建周期性納米波紋與微納分級結(jié)構(gòu)，結(jié)合空氣暴露加速Ti2?氧化為Ti??，形成致密TiO?鈍化膜。實驗表明，F(xiàn)LSP處理后的樣品在3.5% NaCl溶液中腐蝕電流密度（icorr）由2.05 μA/cm2降至0.044 μA/cm2（降幅97.8%），鈍化電流密度（ip）降低70.8%，且呈現(xiàn)多層鈍化行為。XPS分析證實，空氣暴露30天后，表面Ti??占比提升，氧化膜厚度與致密度顯著增加，有效阻隔Cl?侵蝕。經(jīng)過45天浸泡實驗，F(xiàn)LSP處理樣品未出現(xiàn)明顯局部腐蝕，驗證了其長效防護能力。該進展以“Femtosecond laser-induced micro/nanostructures facilitated multiple passivation and long-term anti-corrosion property of laser powder bed fused Ti-6Al-4V alloy”為題于2025年1月30日發(fā)表于《Corrosion Science》。

圖4.飛秒激光誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)促進合金的多重鈍化和長期防腐性能

課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授、香港中文大學(xué)張立教授課題組等分別開展合作，相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、合肥工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年人才培育計劃等項目的支持，系列進展可以為先進制造、集成傳感器、智能機器人、生物醫(yī)療等領(lǐng)域提供重要技術(shù)支撐。