月尘是困扰月球探索的重要空间环境因素，一系列月尘引发的机械、热控系统及光学表面失效问题已经成为月球探索过程中亟待解决的重要问题。采用传统的机械振动、吹扫、电场排斥等主动除尘方式虽然可以显著抑制材料表面尘埃聚集，但由于能耗以及结构的限制很难广泛应用。随着科技发展，开发抑制月尘吸附的功能材料已经成为一种很有前景的被动防护方式，但目前人们仍然缺乏对相关作用机制的深入理解。
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兰州空间技术物理研究所、中国科学院地球化学研究所、澳门科技大学和香港城市大学等单位研究人员以“Lunar Dust-mitigation Behavior of Aluminum Surface with Multi-scale Roughness Prepared by a Composite Etching Method”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。
论文中提出了利用多种湿法刻蚀方法制备具有不同微结构的铝基表面，通过SEM和AFM对铝基表面的形貌以及粗糙度进行了表征，证实了经过复合刻蚀在铝基表面构筑了微纳多级结构。通过自制的月尘颗粒探针CLDS-Tip测量了不同表面与单个月尘颗粒的粘附力，经过复合刻蚀的表面（45.53 nN）比原始表面（8.89 nN）的粘附力下降了80%，基于分形理论计算了不同表面与颗粒之间的范德华力，计算值与实验值保持了一致，从微观力学角度证实了微观结构降低颗粒粘附的有效性。
CLDS-Tip探针粘附力测试结果（a）原始铝片表面；（b）化学刻蚀铝片表面；（c）电化学刻蚀铝片表面；（d）复合刻蚀铝片表面；（e）粘附力测试示意图；（f）实验测试的粘附力值与计算的范德华力
此外，设计了一种基于离心方法的防尘评价装置，基于数字图像处理方法统计了表面的尘埃覆盖率。统计结果表明复合刻蚀的表面（2.19%）比原始表面（9.11%）具有更低的表面覆盖率。利用宏观防尘实验的统计结果建立了与微观力学测量结果的联系，分析了不同载荷量以及倾转角对统计结果的影响，通过摩擦实验验证了铝基表面的优异的耐磨性。
这项工作从微观力学和宏观统计两方面出发，验证了多尺度微纳结构减小月尘颗粒粘附的有效性，有望为后续月尘的相关研究提供有效的实验与理论方法。
论文信息：
Xiao Wang, Weidong Wang, Hong Shao, Shengmao Chao, Haiyan Zhang, Changyu Tang, Xiongyao Li, Yingmin Zhu, Ji Zhang, Xiaoping Zhang, and Yang LuACS Applied Materials & InterfacesDOI: 10.1021/acsami.2c07237
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c07237