清洗，是與人類生產(chǎn)生活實踐關(guān)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(yè)生產(chǎn)中，儀器設(shè)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?？梢哉f，清洗無所不在，是維持我們生活和生產(chǎn)秩序的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

如果說得專業(yè)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(fù)原表面狀況的過程稱為清洗。

隨著生產(chǎn)力發(fā)展和社會進步，清洗已發(fā)展成一門涉及范圍廣泛、內(nèi)容豐富的實用技術(shù)。

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(fù)到原先的干凈狀態(tài)；在工業(yè)生產(chǎn)中，我們研究化學(xué)試劑、噴砂等技術(shù)，去除鐵板上的銹蝕、管道里的污染物，使其恢復(fù)最初的狀態(tài)。

清洗的意義是顯而易見的。在日常生活中，清洗可以提高衛(wèi)生標準，利于人體健康，保護生活環(huán)境，提高物體外觀的價值，從而提高人們生活質(zhì)量。工業(yè)清洗的意義則更多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.改善設(shè)備外觀，凈化美化環(huán)境。

2.去除污漬污垢，維持正常生產(chǎn)。

3.擴大運行周期，延長設(shè)備壽命。

4.提高生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5.減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本。

6.減少生產(chǎn)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(fù)物體本來面目，提高生產(chǎn)效率，保持環(huán)境潔凈。

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

傳統(tǒng)清洗技術(shù)：效率與環(huán)保的困境

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

1.物理清洗技術(shù)

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(yōu)點。例如，我們用毛巾洗臉就是最簡單的物理清洗。在工業(yè)上，傳統(tǒng)的物理清洗技術(shù)主要有：噴砂、高壓水、干冰、電磁波以及超聲波。

2.化學(xué)清洗技術(shù)

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

然而，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)清洗方法也存在明顯的不足，例如，化學(xué)試劑清洗可能會對物體帶來侵蝕，還會產(chǎn)生大量廢液，對環(huán)境造成污染；而機械打磨時產(chǎn)生的粉塵會彌漫在車間，還會產(chǎn)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(huán)境污染作為代價嗎？當(dāng)然不是！科學(xué)家們正積極研發(fā)一種新的清洗技術(shù)——激光清洗技術(shù)，它被譽為“21 世紀的綠色清潔技術(shù)”。

激光清洗的起源：一次偶然的發(fā)現(xiàn)

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(fā)現(xiàn)。

1965 年，諾貝爾獎獲得者 Arthur Schawlow 發(fā)現(xiàn)，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?；谶@一現(xiàn)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(xué)伯克利分校的空間科學(xué)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(gòu)建了理論模型，并分析了激光清洗的優(yōu)點和不足。

接著，激光清洗在文物保護中開始顯現(xiàn)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(shù)品的實驗。此后，他們對石雕、壁畫、古建筑物等文物和藝術(shù)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(xiàn)在，激光清洗文物已經(jīng)成為文物修復(fù)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(guān)于激光清洗的專利 EP0297506A。同年，蘇聯(lián)科學(xué)家彼得洛夫課題組率先發(fā)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(lǐng)域的先驅(qū)，他于 1964 年因為激光方面的開創(chuàng)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(xué)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(yīng)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(jīng)用于機械、化工、微電子與文物保護等眾多行業(yè)。

激光清洗的“秘密武器”：

選擇性吸收與瞬時轉(zhuǎn)化

那么激光是如何實現(xiàn)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(zhuǎn)化。主要過程如下：

精準的能量投遞（“激光槍”發(fā)射“光子彈”）：激光器產(chǎn)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(shù)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(zhì)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?？梢孕蜗蟮乩斫鉃?，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(zhuǎn)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(nèi)，通過光熱效應(yīng)瞬間轉(zhuǎn)化為熱能。這導(dǎo)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(wěn)定存在，同時或先后發(fā)生如圖 2 所示的幾種變化：

1. 分解或蒸發(fā)：當(dāng)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(dǎo)的崩裂和噴射：極高的升溫速率會導(dǎo)致污染物內(nèi)部產(chǎn)生巨大的溫度梯度，使得漆層內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力導(dǎo)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(dāng)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(shù)的差異導(dǎo)致在界面處產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。這將導(dǎo)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(yè)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(yōu)勢，正越來越多地在工業(yè)應(yīng)用中獲得青睞，目前已在眾多領(lǐng)域一展身手。

1.芯片行業(yè)

在指甲蓋大小的芯片上，密密麻麻排列著數(shù)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(dāng)于頭發(fā)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(xiàn)在流行的 3D 芯片封裝（把幾層芯片像搭積木一樣疊起來），結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，激光清洗更是成了必不可少的“清潔大師”。

2.交通行業(yè)

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(tǒng)的化學(xué)清洗污染環(huán)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(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

圖3 ARLCRS對F-16戰(zhàn)斗機進行激光除漆（圖片來源：參考文獻[2]）

3.文物清洗領(lǐng)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(xué)試劑擦拭等化學(xué)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(nèi)高手”們，已經(jīng)用它成功讓許多寶貝重現(xiàn)光彩了！

激光之光，點亮潔凈未來

激光清洗技術(shù)，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(xù)發(fā)展、建設(shè)美麗家園的有力工具。它顯著減少了傳統(tǒng)清洗方式帶來的水污染、空氣污染和化學(xué)污染風(fēng)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(huán)境。

隨著技術(shù)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(huán)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.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨宋峰 南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授

林德惠 南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院碩士研究生

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨張一諾

審校丨徐來、張林林