来源：滚动播报
（来源：中国航空报）
钛是现代制造业中最具挑战性的材料之一。它兼具高强度、轻质、耐腐蚀和生物相容性等优良特性，使其成为航空航天部件、医疗植入物及精密微型器件领域不可或缺的材料。然而，正是这些特性使得钛在利用传统工具进行加工时极难处理。近年来，超短脉冲激光——特别是飞秒激光（其能量释放过程仅持续千万亿分之一秒）——已成为一种具有变革意义的解决方案。发表在《npj先进制造》（npj Advanced Manufacturing）杂志上的一项最新计算研究，利用分子动力学模拟追踪了材料加工过程中极短时间尺度下单个原子的演变轨迹，从而揭示了这些激光脉冲去除钛材料的详细原子级机理。
这项研究探讨了一个长期困扰激光工程师的难题。当飞秒激光脉冲轰击金属表面时，能量沉积速度极快，以至于传统的加热与熔化概念已完全不再适用。激光脉冲持续时间短于电子将能量传递给原子晶格所需的时间，这意味着材料中的电子被瞬间加热至极高温度，而原子本身在初始阶段几乎保持静止。这种被称为“双温行为”的状态，正是超短激光脉冲能够以惊人精度烧蚀材料、在加工区域周围几乎不产生热影响区、重铸层或毛刺的关键所在。若要确切了解晶格如何响应以及材料如何被喷射出来，就需要一种能够在空间和时间维度上同时解析原子运动的模拟方法。
分子动力学恰好提供了这种能力。在这项研究中，研究人员将钛靶建模为一个由相互作用原子组成的庞大集合体，其行为受原子间势函数支配；该势函数经过校准，能够准确复现钛的结构、热学及力学性质。研究采用双温模型来模拟激光脉冲的作用过程：首先，吸收的光能使电子温度升高，随后能量通过电子-声子耦合传递给晶格。通过将电子系统的连续介质描述与晶格的原子级动力学过程相结合，模拟完整捕捉了从能量沉积瞬间开始，历经晶格升温、相变，直至最终物质从受辐照区域喷射出的全过程。
该研究的一项核心成果是系统地探讨了加工结果如何随激光通量（即单位面积输入的能量）而变化。在略高于烧蚀阈值的低通量条件下，模拟揭示了一种微妙的物理机制：近表面区域经历光机械应力约束，并通过强烈的压缩应力波与拉伸应力波的产生及弛豫过程发生破坏。最表层的原子层可在储存的热弹性应力释放推动下近乎完整地被剥离，而下方的晶体结构则基本保持完好。这种温和的加工模式正是精密微加工领域所推崇的，因为它能最大限度地减少附带热损伤，并获得洁净、轮廓清晰的表面。
随着通量的增加，情况发生了剧烈变化。吸收的能量密度超过了晶格维持相干固体状态的极限，模拟显示近表面区域发生了远超其平衡熔点的过热现象。在此阶段，主要的材料去除机制转变为爆炸性分解：过热、深度过冷液体乃至临界点现象开始起主导作用，受辐照区域瓦解为蒸汽、团簇和液滴的混合物。研究人员追踪到了一种泡沫状、低密度的瞬态结构（有时被称为亚表面气泡或空化区）的形成过程；该结构从沉积区域中心向外膨胀并最终破碎，喷射出原子及纳米团簇碎片。这些原子尺度的观测结果与实验特征直接相关，例如，在钛及其他金属激光烧蚀羽流中收集到的纳米颗粒所呈现的特征尺寸分布。
这些模拟还揭示了残留材料的演变情况。模型显示，在烧蚀层下方，材料经历了每秒数万亿开尔文（K/s）量级的极速淬冷过程，从而“冻结”出与平衡态钛截然不同的结构特征。根据深度和局部能量密度的不同，重凝固区域可能呈现出非晶态特征、无序多晶晶粒，或是含有大量孪晶及缺陷的晶体结构。这些亚表面缺陷会影响表面粗糙度、硬度、残余应力，甚至影响经激光表面织构化处理的钛植入物的生物学响应。通过在原子尺度上解析这些特征，这项计算研究在加工参数与最终决定器件性能的微观结构之间架起了一座机理性的桥梁。
从工程角度来看，这项工作的价值在于它能够绘制飞秒加工的参数空间，且成本远低于单纯依靠实验，覆盖范围也更为全面。每一次模拟实际上都是一次虚拟实验，研究人员可以系统地改变能量通量、脉冲持续时间、脉冲数量及材料温度，并能实时观测每一个原子的状态——这是任何显微镜都无法实现的。研究人员分析了电子与晶格的峰值温度、应力分布及烧蚀深度随沉积能量变化的规律，从而确定了区分不同加工机制的阈值：这些机制包括应力驱动的材料去除、以相爆炸为主导的物质喷射，以及材料仅发生熔化与重凝固而无净去除的模式。这些阈值与激光设备制造商及加工服务商在优化钛材微加工工艺时所关注的加工窗口高度吻合。
这项研究还回应了超快激光领域长期以来关于热机制与非热机制相对重要性的争论。对于在低于非线性光学击穿阈值条件下受激的强吸收金属，模拟结果支持传统的“双温模型”：尽管能量沉积在电子层面表现为热过程，但随后的晶格响应极快且严重偏离平衡态，导致沸点等经典热力学概念失去了常规意义。相反，材料去除过程受多种因素的相互作用支配，包括电子-声子耦合强度、热机械应力约束，以及极端过热条件下的熔化与汽化动力学。以电子-声子耦合相对较强的钛为例，其耦合时间极短，晶格加热在数皮秒内即开始，从而决定了应力主导与热主导烧蚀机制之间的转变特征。
该研究的意义远超钛金属本身。其方法论框架——即将激光能量沉积的双温描述与大规模分子动力学模拟相结合——可直接应用于电子、储能及生物医学工程领域的其他过渡金属、合金和多层薄膜材料。随着飞秒激光技术进入高通量工业应用场景（涵盖从涡轮叶片冷却孔钻孔到支架图案化加工及微织构抗菌表面制备等多种工艺），业界对预测性工艺模型的需求日益迫切。此类原子尺度模拟可为介观尺度模型及连续介质模型提供数据支撑，最终实现激光加工过程的“数字孪生”——即在加工任何实体工件之前，即可在计算机上完成工艺参数的优化与调试。
通往实现完全预测性模拟的道路上仍面临诸多挑战。此类规模的分子动力学模拟仅能捕捉皮秒量级的物理过程，而实际的烧蚀羽流演化则跨越纳秒至微秒量级；此外，多脉冲加工还会引发时间跨度更长的热积累效应。实验验证同样需要超快“泵浦-探测”诊断技术，以便在相同的时间分辨率下观测羽流与材料表面的演化过程。尽管如此，这项工作标志着飞秒激光加工领域迈出了重要一步，推动其从一种依赖经验优化的工艺转变为一门具有定量机理认知的科学。对于钛这种具有战略重要性的金属——它是下一代飞行器、人工关节及清洁能源装备的核心材料——精确掌握其原子如何响应人类所能产生的极短光脉冲，其意义远超单纯的学术探索；这是制造现代科技日益依赖的各类关键部件的基石。 （航柯）
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