飞机轮船芯片文物…它都能轻松清洗，这把“光之扫帚”有多厉害？

清洗，是与人类生产生活实践关系十分密切的行为。我们对于清洗都不陌生，因为我们每天都要洗脸、洗碗、洗衣服、擦洗家具、拖地。在工业生产中，仪器设备、交通工具、建筑物等外表面的污渍、破损油漆、锈蚀等需要定期去除。可以说，清洗无所不在，是维持我们生活和生产秩序的基础环节。

如果说得专业点，清洗可以这么定义：去除物体表面（如人脸、地板、轮船外壳、飞机外皮、车床、墙壁）的污染层或覆盖层（如灰尘、油污、锈蚀等），而使其恢复原表面状况的过程称为清洗。

随着生产力发展和社会进步，清洗已发展成一门涉及范围广泛、内容丰富的实用技术。在生活中，我们研究洗脸膏、洗衣粉、地板去污剂等，进行洗脸洗衣服拖地擦桌椅，去除灰尘污渍等污染物，使其恢复到原先的干净状态；在工业生产中，我们研究化学试剂、喷砂等技术，去除铁板上的锈蚀、管道里的污染物，使其恢复最初的状态。

清洗的意义是显而易见的。在日常生活中，清洗可以提高卫生标准，利于人体健康，保护生活环境，提高物体外观的价值，从而提高人们生活质量。工业清洗的意义则更多，主要有体现在以下几个方面：

1.改善设备外观，净化美化环境。

2.去除污渍污垢，维持正常生产。

3.扩大运行周期，延长设备寿命。

4.提高生产能力，提高产品质量。

5.减少能源消耗，降低生产成本。

6.减少生产事故，有利人体健康。

总而言之，清洗的目的就是去除污染物，恢复物体本来面目，提高生产效率，保持环境洁净。

所以，清洗对于人类的生产生活是不可或缺的，不断发展清洗技术，可造福人类。在接下来的内容中，我们将深入探讨一种绿色、高效的清洗技术——激光清洗。

传统清洗技术：效率与环保的困境

清洗技术多种多样，根据清洗原理，可以分为物理清洗和化学清洗（生物清洗也可归类于化学清洗）技术。

物理清洗技术：顾名思义是利用物理原理，如力、热、光、电等，从待清洗物体表面去除污染物。它具有安全、无腐蚀的优点。例如，我们用毛巾洗脸就是最简单的物理清洗。在工业上，传统的物理清洗技术主要有：喷砂、高压水、干冰、电磁波以及超声波。

化学清洗技术：则是采用化学溶剂通过化学反应，使得污染物被清洗掉。它具有快速、高效、成本低等优点。比如，我们用肥皂洗衣服，就属于化学清洗。常用的化学清洗方法有：化学试剂清洗、电化学分解清洗、微生物清洗，等等。

然而，传统的物理和化学清洗方法也存在明显的不足，例如，化学试剂清洗可能会对物体带来侵蚀，还会产生大量废液，对环境造成污染；而机械打磨时产生的粉尘会弥漫在车间，还会产生噪音，影响工人健康。

面对这些问题，我们不禁要问，清洗一定要以环境污染作为代价吗？当然不是！科学家们正积极研发一种新的清洗技术——激光清洗技术，它被誉为“21世纪的绿色清洁技术”。

激光清洗的起源：一次偶然的发现

谈到激光，大家并不陌生。然而，将激光用于清洗的奇妙想法，却源于一个偶然的发现。

1965年，诺贝尔奖获得者Arthur Schawlow发现，用脉冲激光照射油墨印刷的纸张时，纸张表面的墨迹会瞬间汽化消失，而纸张基底不受损伤，如图1所示。基于这一现象，他首次提出了“激光擦”(laser eraser)的概念。

图1 激光擦——激光照射去除墨迹

（图片来源：参考文献[1]）

1969年，在加州大学伯克利分校的空间科学实验室，贝德尔（S. M. Bedair）等人，在美国宇航局（NASA）刘易斯研究中心的研究项目中，尝试用激光清除镍材料表面的氧和硫污染，他们构建了理论模型，并分析了激光清洗的优点和不足。

接着，激光清洗在文物保护中开始显现身手。阿斯慕斯研究团队在1973年的一个国际会议上报道了他们用激光清洗艺术品的实验。此后，他们对石雕、壁画、古建筑物等文物和艺术品进行了激光清洗，深入研究了激光清洗前后的文物形貌和表面属性的变化。现在，激光清洗文物已经成为文物修复和保护的一个非常重要的手段。

1987年7月2日，扎普卡在德国申请了第一个关于激光清洗的专利EP0297506A。同年，苏联科学家彼得洛夫课题组率先发表了激光清洗物体表面微粒的论文，这是公认的第一篇激光清洗微粒方面的论文。该论文的作者之一Prokhorov是激光领域的先驱，他于1964年因为激光方面的开创性工作和突出贡献，与汤斯、巴索夫共同获得了诺贝尔物理学奖。

此后，激光清洗在除漆除锈、清除电子线路板、模具等方面得到了研究和应用，美国和欧洲国家在激光清洗方面一直走在前列。如今，激光清洗已经用于机械、化工、微电子与文物保护等众多行业。

激光清洗的“秘密武器”：选择性吸收与瞬时转化

那么激光是如何实现擦除和清洗的呢？其核心在于材料的选择性吸收和能量的瞬时高效转化。主要过程如下：

精准的能量投递（“激光枪”发射“光子弹”）：激光器产生一束高亮度、方向性好和特定波长的相干光，照射污染物表面。这就像无数高能量的“光子弹”击中了目标。

选择性吸收（污染物“贪吃”，基体材料“挑食”）：对于不同波长的光，不同物质的吸收程度存在差异。我们选用容易被污染物吸收，而基体材料不易吸收的激光波长进行清洗。可以形象地理解为，我们选择性地“投喂”一些污染物爱吃的“光子弹”，而基体材料对这些“光子弹”不感兴趣，几乎不吸收。这样，激光能量主要被污染物吸收，而基体材料几乎不受损伤。

能量的瞬时转化（“光子弹”变“热炸弹”）：污染物吸收的“光子弹”在极短的时间（通常是纳秒、皮秒甚至飞秒量级）内，通过光热效应瞬间转化为热能。这导致污染物温度急剧升高。

污染物的去除（被高温或爆破力“赶走”）：在这突如其来的高温下，污染物将无法稳定存在，同时或先后发生如图2所示的几种变化：

1. 分解或蒸发：当激光能量足够高时，污染物的温度将超过其分解和气化温度，变成蒸汽或分解气体飘走。这是最主要的去除方式。
2. 热膨胀诱导的崩裂和喷射：极高的升温速率会导致污染物内部产生巨大的温度梯度，使得漆层内部产生极大的热应力。这种热应力导致污染物剧烈膨胀，瞬间崩裂成微小的颗粒并喷射出去。
3. 界面剥离脱落：当污染物层较薄时，“光子弹”能够穿透污染物到达其与基体材料的界面处。二者的显著热膨胀系数的差异导致在界面处产生巨大的热应力。这将导致污染物层以相对较大的碎片或薄片形式从基材表面整体剥落。

图2 激光清洗的原理示意图

（图片来源：作者供图）

激光清洗：从工业到文物的“多面手”

激光清洗凭借“无污染、高精度、不伤基体、易自动化”的优势，正越来越多地在工业应用中获得青睐，目前已在众多领域一展身手。

芯片行业：在指甲盖大小的芯片上，密密麻麻排列着数十亿个晶体管。激光清洗就像拿着光做的“纳米橡皮擦”，能精准擦除0.1微米级的灰尘颗粒（相当于头发丝的百分之一粗细）。这大大提高了芯片的良品率和可靠性。特别是现在流行的3D芯片封装（把几层芯片像搭积木一样叠起来），结构非常复杂，激光清洗更是成了必不可少的“清洁大师”。

交通行业：飞机、轮船、火车等交通工具在使用一段时间后，油漆层和基体材料会破损，甚至被腐蚀。为了确保安全，需要定期清洁和维护。然而，传统的化学清洗污染环境且容易腐蚀基体，机械打磨也容易损伤基体。目前，激光清洗已在大量飞机、轮船、火车等交通工具的激光清洗研究和初步应用中展现出巨大潜力。

图3 ARLCRS对F-16战斗机进行激光除漆

（图片来源：参考文献[2]）

文物清洗领域：目前常用的文物清洗方法主要有：刮、擦、刷、超声波等物理方法，以及化学试剂擦拭等化学方法。这些清洗方法对文物都有一定的损伤。而有些文物，如丝绸、纸张等，甚至于无法使用这些方法进行清洗。超短脉冲激光却能精准地剥离表面的污垢层，且不损伤脆弱的基体材料（如颜料、纸张纤维、大理石等）。故宫、敦煌研究院这些守护国宝的“大内高手”们，已经用它成功让许多宝贝重现光彩了！

激光之光，点亮洁净未来

激光清洗技术，这把高效的“光之扫帚”，不仅带来了清洁方式的革命，更是我们追求可持续发展、建设美丽家园的有力工具。它显著减少了传统清洗方式带来的水污染、空气污染和化学污染风险，实实在在地帮助我们拥有更加洁净、健康的生活和工作环境。

随着技术的不断成熟和普及，激光清洗将在守护蓝天、碧水、净土的道路上，扮演越来越重要的角色，让“洁净”成为我们环境更鲜明的底色。

参考文献：

[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：科普中国
作者：宋峰（南开大学物理科学学院教授）林德惠（南开大学物理科学学院硕士研究生）
监制：中国科普博览