黄松鹏 彭灿
中国科学院金属研究所国家金属腐蚀控制工程技术研究中心
阳光为万物带来生机和能量，是地球生命得以生存的条件。阳光的本质是经过大气层削弱后的太阳辐射，有着极为宽阔的连续光谱，实际到达地面的光谱范围一般是290~3000 nm，如图1所示。它所携带的能量99.9%集中在红外区(>760 nm)、可见光区(400～760 nm)和紫外区(<400 nm)，波长越短，携带的能量越高。紫外光(290~400 nm)虽然只占阳光总辐射能量的7%~8%，但具有很高的能量。正是这部分高能量的紫外光，给我们生活带来了许多变化。下面将讲述光能对材料的性能影响，以及如何利用这个现象为人类创造便利。
图1 太阳光谱的能量分布 (图片来源：http://m.elecfans.com/article/725862.html)
1.光能对材料的腐蚀
紫外光携带的能量足以破坏高分子材料中的某些化学键，会使材料出现结构、外观和宏观等性能劣化[1]。在光照条件下，高分子材料可能会发生以下两方面的变化，使得材料最终腐蚀失效[2]：
a.高分子材料(以橡胶为例)在合成、加工过程产生的氢过氧化物、羰基化合物，以及残留的催化剂等物质，会吸收太阳光中特定波长的光(如紫外或近紫外区)。一旦某些原子成为不稳定的激发态，会通过各种光物理或光化学过程释放多余的能量，而氧气的参与会促进这些过程的发生，引发材料性能劣化。
b.太阳辐射中的紫外光可以直接作用到高分子材料中的化学键，引起弱键甚至某些强键的活化、断裂和重组，在这个过程中，高分子材料的各项性能会出现不同程度的衰减。
太阳辐射也会改变金属材料的腐蚀速度，尤其是在强日照辐射的海域，会对大型海洋设备产生不利的影响。如果金属生成的腐蚀产物具有半导体性质，那么受到紫外光照射后会产生光生电子与光生空穴：光生电子转移到腐蚀产物与电解液接触的界面，会加速金属腐蚀的阴极氧还原过程;在价带上滞留的光生空穴由于具有强氧化性，能够直接夺取基底金属阳极溶解产生的电子，从而加速金属腐蚀阳极过程[3]。
2.光能对材料的益处
虽然光照对材料腐蚀有一定的影响，但在我们日常生活中，更多的是享受着阳光带来的温暖和舒适。除此之外，控制光照辐射对材料性能进行有针对性的改变，是人类的奇思妙想演变出来的成果，这些成果不仅能提高人们的生活质量，还加速了科技革命的步伐。
(1)光固树脂——补牙[4]
很多人都有过这样的经历，牙齿痛到怀疑人生：吃饭不敢用力嚼，说话不敢太大声，漱口不敢用凉水。对于这些蛀牙，早期可以通过补牙的方式来阻止其进一步病变，恢复牙齿的功能。牙科医生会经过几道工序，将补牙材料填充进蛀牙处，然后用灯照射使其固化。但如果静下心来仔细想想，会疑惑这些补牙材料是什么?照射的灯光是什么光?
图2 光固化树脂补牙 (图片来源：https://www.sohu.com/a/147832031_352617)
光固化树脂是常用的补牙材料之一，这是一种相对分子质量较低的树脂，具有可进行光固化的反应性基团(如不饱和双键或环氧基等)，受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化，进而交联固化，其原理也被称为自由基聚合。提供光源的设备称为光固化灯，为了不对人体造成伤害，只作用到补牙材料上。光固化波长的范围要与补牙材料中的光敏引发剂相适应，目前临床上补牙材料的引发体系大多为樟脑醌(CQ)，其吸收光波范围为400~500nm，峰值在468nm，如图3所示。所以常用的光固化灯波长范围多为400~500nm的可见蓝光，光源穿通能力只有4mm，对人体的影响很小[5-6]。
图3樟脑醌的吸收光谱图(a)和结构式(b) (图片来源：https://doi.org/10.1016/j.dental.2006.06.016)
牙齿的好坏影响到日常的生活，而光刻胶的优劣则关系到整个电子行业的发展。光刻胶也是利用光能来改变原有性能的材料。2019年全球光刻胶市场规模预计接近90亿美元，光刻胶是微电子领域微细图形加工核心上游材料，主要用于积体电路和半导体分立器件的细微图形加工[7]。它是由感光树脂、增感剂和溶剂等主要成分组成的对光敏感的混合液体，通过紫外光、深紫外光、电子束、离子束等光照或辐射，能使其溶解度发生变化，经适当溶剂处理掉可溶性部分，便可刻蚀出需要的图像。半导体制造业从微米级、亚微米级、深亚微米级过渡到纳米级水平的进程中，光刻胶起着举足轻重的作用。
图4 IC光刻流程图 (图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/91376453)
阳光带来的远不止是温暖，其中蕴含着巨大的能量，可能会对材料造成不利的影响，但转变思路，能成为驱动科技创新的源泉。
参考文献
[1] 易平,何建新,杨秀清,等. 3种高分子材料自然环境多角度暴露对比试验[J].表面技术,2007,36(2): 18-20.
[2] 吴茂英. 聚合物光老化、光稳定机理与光稳定剂[J].高分子通报,2006(4):76—82.
[3] 陈卓元. 紫外辐射对金属大气腐蚀过程的影响机理[M].北京:科学出版社，2017
[4] 知乎日报. https://daily.zhihu.com/story/7782762. 2016-01-27
[5] 解路杨,张保卫. 发光二极管光固化灯应用于复合树脂的研究进展：口腔医学，2007
[6] 邓小林,张保卫. 光固化复合树脂固化程度的影响因素:口腔材料器械，2009
[7] 光刻胶. https://zh.wikipedia.org/wiki/光刻胶. 2019-09-30