激光切割让抽刀断水削铁如泥不是梦

激光切割“水饼”制造的各种图案。

用激光实现对水的切割和加工

如何“驯服”水并为人们所用，自古以来就是一门学问。切割水，在人们眼中是一件不可思议的事情，正如唐代诗人李白的著名诗句：“抽刀断水水更流，举杯消愁愁更愁。”中反映的，水作为一种无序性的流体，难以通过传统方法进行塑性和切割。

当下，控制微量水形貌和流动的主要手段是预先加工固体通道。但由于水的无序性和流动性，精准加工水仍存在挑战。激光切割作为一种利用光热效应加工固体材料的技术，可否实现水的切割和加工呢？

基于以上想法，西安交通大学生命科学与技术学院李菲教授课题组与西北工业大学物理学院李晓光副教授课题组合作，驾驭被称为“最快的刀”——激光，采用激光加工技术，通过调节水的流动性和表面张力特性，实现了“激光切水”的想法，将“抽刀断水”变成了现实。

该团队首先用疏水性的二氧化硅纳米颗粒包覆在水的表面，构建了厚度为亚毫米级的“水饼”，随后用激光对该“水饼”实施切割，成功实现了“激光切水”的构想，并制造出了多种“图案”。

追溯“水饼”能被切割的原因

为什么激光能神奇地切开水呢？团队科研人员介绍，“水饼”可被激光切割的原因主要有两个：第一，“水饼”表面的二氧化硅纳米颗粒对波长为10.6微米的红外激光具有较强吸收，经过激光照射，二氧化硅纳米颗粒吸收激光能量将其转换为热量用于水的汽化；第二，当局部的水被汽化后，水的流动会带动表面的二氧化硅纳米颗粒进一步将暴露的水面覆盖，进而阻止了水的“愈合”过程。

李菲介绍，团队还通过实验探究了水的体积对“水饼”面积，“水饼”厚度对切割可行性及“水饼”厚度、激光扫描速度对加工精度等影响，得到了优化后的“激光切水”实验参数。随后，应用激光切割机成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道等常用的微流控芯片，证实了“激光切水”加工复杂微流控结构的能力，并确定“激光切水”加工的微流控芯片最小可达350 微米。

“激光切水”制备的微流控芯片可应用在众多领域

流体操控是微流控芯片和液滴的主要应用之一。该团队应用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴进行了相关液体操控，证实了制备的自支撑微流控芯片和液滴的液体操控功能。

在研究过程中，基于“激光切水”加工的微流控芯片的开放性，该团队应用“激光切水”加工的微流控芯片作为小型化的反应平台实现了化学合成。例如，铜氨络合反应和氨基酸与水合茚三酮合成反应。基于“激光切水”加工的微流控芯片的透光性，团队将其开发为生化传感的微反应器和比色检测平台，用于金属离子、蛋白质、尿素和核酸等生物标志物的检测。最后，将加工的微流控芯片作为图案化的模具，实现了液态金属的电动操控和图案化水凝胶的合成，并作为药物梯度稀释和细胞培养平台。

灵魂拷问—你眼中的激光是什么样子的？

是打小怪兽的“奥特激光“？（动感光波，BIU BIU BIU BIU~~）

还是五彩斑斓、绚丽夺目的舞台灯光？（好夺目，好炫彩~~）

在当代科幻类影视剧里，你可能更经常看到下面这样的场景——

（事先声明，咱不评价任何一部电影，只是看里边的镜头）

电影《上海堡垒》中，外来入侵者利用高能激光束，轻而易举地切割开了厚厚的金属墙。

电影《蜘蛛侠·英雄归来》中，无人机携带的微型激光发射器也能发射出高能激光束，博物馆厚厚的门在它面前似乎没有任何“反抗能力”。

看到这里你也许会发现，激光真的是可甜可盐。

在工业社会，面对厚厚的金属墙也“毫不客气”、切之而后快的工具并不是常见的“刀枪剑戟 斧钺钩叉 闲棍槊棒 鞭锏锤抓”，而是一束激光，这束光作用于金属之后，能迅速、准切地切开它们。

Bingo！影片里情节设计所依据的正是“激光切割”技术。

我们都知道“火能克金”，小伙伴是否已经好奇了——什么是激光切割？这束高能激光，到底是有多高的能量？

激光切割的原理

就是它字面的意思，激光切割就是一种利用经聚焦的高功率密度激光束切割材料的技术。而且，激光切割属于热切割的一种。为什么这么说？让我们详细了解一下激光切割的原理。

激光切割系统是通过使用激光聚焦系统，将高能激光聚焦到材料表面，材料吸收激光能量导致局部被加热到熔点以上。同时，同轴高压气体或产生的蒸汽将熔融的金属吹离，在材料表面产生空洞。随着激光沿着设定程序的移动，最终将材料切割出对应图案的形状。

激光切割的类型

一般来说，激光切割可分为激光气化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。这四种激光切割方法的切割功率及功率密度不同，导致其适用于不同的场景。

01

激光气化切割

这种切割方法的原理是：利用高能量密度的激光束加热材料，当材料温度迅速上升达到沸点后，材料迅速气化并产生蒸气喷出并留下切口。

材料的汽化热一般很大，所以激光气化切割需要很大的功率和功率密度。因此这种切割方式多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材等）的切割。

02

激光融化切割

这种切割方式的原理是激光辐照导致材料熔化，与光束同轴的喷嘴喷吹有较大压力的非氧化性气体（Ar、He、N2等）使液态金属排出，形成切口。

激光熔化切割不需要使金属完全气化，所需能量也只有气化切割的1/10，因此这种切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

03

激光氧气切割

激光氧气切割原理是用氧气与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热，同时，被激光熔融的材料又被氧气从反应区吹出并形成切口。

氧化反应为放热反应，使得这种方法所需能量只是熔化切割的1/2，但切割速度比气化切割和熔化切割都快，所以这种切割方法主要用于一些较难切割的物料，如碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

04

激光划片与控制断裂

激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

切割机的激光功率

常见的激光切割机是：光纤激光切割机和CO2激光切割机。顾名思义，二者所使用的激光分别来源于光纤激光器和CO2激光器。目前，光纤激光器凭借其出光功率高、光斑尺寸小等优势，所占市场早已远超CO2激光器，并仍在增长之中。

没有数据支撑的内容未免苍白，想知道激光切割所用激光功率到底有多高吗？

接下来，来自9月17日于上海举行的中国国际工业博览会（简称：工博会）的一组数据，绝对会让你惊呼：Oh MY GOD!

以20kW的光功率为例，如果其光纤直径为200微米，数值孔径为0.22，则其光功率密度将会大于1000MW/Cm^2·str-1。

而传统的教学用激光笔的光功率仅仅为：1-5mW，光功率密度也很小。但是就是这样的激光笔照射人体尤其是眼睛时，也有很大的伤害。所以一定不能让小朋友随意拿来玩耍呀~~