飞秒激光调控材料表面浸润性技术的突出优势

1.背景介绍

浸润性是固体表面基本的物理化学性质之一。自然界中许多动植物都进化出了特殊的浸润性表面以适应所处的复杂生存环境，例如荷叶具有自清洁功能、水黾能够在水面上跳跃、蚊子眼能够在潮湿环境中防雾、昆虫会滑落进猪笼草口袋中等（图1）。研究发现，固体材料表面的浸润性主要由其化学组成和微观几何形貌共同决定。具有特殊浸润性的表面在能源利用、化工制造、医疗健康、****等应用领域发挥着重要作用，因此特殊浸润性尤其是浸润性（也即超浸润性“superwettability"） 成为了当前微纳制造领域的热点研究方向之一。

目前，多种微纳制造技术已经被用来实现浸润性材料的制备，如机械加工法、光刻法、化学刻蚀、模板复制法等，所制备的超浸润材料也获得了广泛的应用。然而，这些微纳制造技术在制备超浸润表面方面仍受到了一些技术上的限制，如制备步骤复杂、局限于特定的基底材料、缺乏灵活性等，极大地限制了所制备超浸润表面的实际应用需求。发展一种通用的微纳制造技术以实现各种超浸润材料的高效制备和浸润性的复杂调控仍是一个巨大的挑战。

图1 自然界中的特殊浸润性及表面微纳结构

2.关键技术进展

飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率等特点，是现代制造和超精密制造领域的重要工具之一。飞秒激光微加工技术具有热效应低、空间分辨率高、非接触加工等优点。特别地，飞秒激光可以作用任意给定的材料，在材料表面直接制备出不同类型的微米/纳米多级结构，且激光焦点的位置可以被加工程序精确控制，因而飞秒激光也擅长于微纳结构的精细设计与调控（图2）。利用飞秒激光在材料表面构建特殊的微尺度、纳尺度结构，可获得各种各样的超浸润特性。

图2 飞秒激光设计制备的各种二维和三维图案化微结构

2.1 超亲水性和超疏水性

基于飞秒激光对材料表面微纳结构的精细设计，可以实现一系列特殊的浸润性：（1）超亲水性。在本征亲水材料表面上构建足够粗糙的微纳结构，进而实现超亲水性。（2）超疏水性。对于本征疏水材料，可以直接在材料表面上构建合适的微纳米多级结构；而对于本征亲水材料，通过飞秒激光构建微纳结构后，通常需要进一步结合化学修饰的方法降低表面能。水滴在超亲水表面上能够快速铺散开；相反，超疏水表面具有排斥水、防水的功能（图3）。

图3 飞秒激光加工赋予各种金属超疏水性及防水功能

3.总结与展望

基于飞秒激光对材料表面微纳结构进行设计和改性，可实现超亲水与超疏水性、超疏油性、水下超亲气与超疏气性、液体灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、超疏液态金属性、可调粘滞性、各向异性浸润性、智能可调浸润性等一系列浸润性质。这些特殊的浸润性使得飞秒激光作用后的材料在防水/防油/防气、自清洁、液滴操控、液体图案化、浮力增强、微小液滴/气泡释放、油水分离、水/气分离、防结冰、防腐蚀、水下减阻、水雾收集、微流控、柔性电路/电子器件、细胞工程、生物医疗、海水淡化、表面增强拉曼散射等方面获得了广泛应用。

与其它制备超浸润微结构的方法相比，飞秒激光加工方法具有独特的优势：

（1）飞秒激光可以加工几乎任意给定的材料。该特点使得飞秒激光调控材料表面浸润性技术不会局限于特定材料，能够赋予广泛的材料以特殊的浸润性能。

（2）飞秒激光加工过程相对比较简单，通常经一步烧蚀可直接形成多级微纳结构。相同的加工参数和加工条件可以很容易延伸到加工其它同类材料。

（3）飞秒激光加工方法灵活性比较强。一方面，所制备微纳结构的形貌可以通过加工参数的调整而简单改变。另一方面，飞秒激光可精确控制加工位置，具有设计微纳图案化结构的强大能力。图案化的超浸润结构可以实现很多均匀微纳结构表面无法实现的性质和功能。灵活性强的特点使得飞秒激光可以实现浸润性的复杂精细调控。

参考文献： 中国光学期刊网

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