超快科学｜飞秒激光仿生构建极端浸润性表面

超快科学 Ultrafast Science

导读

浸润性是固体表面基本物理化学性质之一。其中极端润湿性表面格外引人瞩目。由于在解决与能源、环境、医疗健康等相关问题中发挥的重要作用，超浸润性是当前材料和微纳制造领域中的前沿热点研究之一。表面微纳结构对材料的浸润性有关键的影响，因而各种微纳制造技术都被用来实现不同的极端浸润性。然而，传统的微纳制造技术在制备超浸润表面结构方面仍受到了一些技术上的限制，例如制备步骤复杂、局限于特定材料，缺乏灵活性等。发展一种通用的微纳制造技术实现各种超浸润微结构表面的制备仍是一个巨大的挑战。

引用格式（点击阅读原文）：

Jiale Yong, Qing Yang, Xun Hou, Feng Chen, "Nature-Inspired Superwettability Achieved by Femtosecond Lasers", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9895418, 51 pages, 2022.

正　　文

经过上亿年的进化，许多动植物拥有了特殊的表面浸润性。例如，荷叶具有自清洁功能，水黾能够在水面上跳跃，蚊眼具有防雾性，鱼鳞在水下不被油污染，沙漠甲虫可以在干旱的环境中吸收水分，等等。受自然界启发，通过设计材料表面微结构和化学组成，人们实现了一系列极端浸润性。这些超浸润材料被成功应用于防液体润湿、自清洁、液滴操控、油水分离、芯片实验室、抗冰、防雾、耐腐蚀、抗污染、水雾收集、微流控、水下减阻等领域。获得超浸润表面的关键是在材料表面构建特殊的微纳米结构。虽然传统的微/纳米加工方法可以实现超润湿性，但这些方法或多或少都受到某些固有的局限性，如制备步骤复杂，限于特定材料，缺乏灵活性。

图1. 荷叶的微纳结构和超疏水性

激光是二十世纪最伟大的发明之一。飞秒（10^-15 s）激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的特点。近些年来，飞秒激光成为了一种现代制造和精密制造领域的有力工具之一。特别地，飞秒激光几乎可以加工任意材料。可一步作用直接在材料表面上形成微纳米多级结构。激光作用位置可以精确控制，从而可以获得各种二维三维微结构。由于材料浸润性受表面微纳结构的显著影响，利用飞秒激光处理在材料表面形成特殊的微尺度和纳米尺度结构，可实现各种不同的浸润性。飞秒激光在设计和改性材料润湿性方面显示出强大的能力。

图2. 飞秒激光制备的各种二维三维微纳图案化结构

近日，来自西安交通大学的陈烽教授团队系统总结了飞秒激光微纳加工技术在调控材料表面浸润性领域的应用。受大自然的启发，可以通过飞秒激光处理在固体材料表面制备出各种超浸润微结构。超亲水性可以通过在亲水基底材料上形成分级的微观结构来实现。水滴在超亲水表面上能够完全铺展开。超疏水性是表面微纳结构与低表面能化学之间协同作用的结果。

为了实现超疏水性，需要利用飞秒激光在疏水基底上直接构建多级微结构，或者在亲水基底上构建微结构，然后进行低表面能修饰。超疏水材料对水具有强烈的排斥作用，不会被水润湿。

内角微结构是实现超双疏的关键。超双疏表面不但具有超疏水性，还具有超疏油性。与空气中超疏油表面的制备不同，水下超疏油表面可以通过在亲水基底上利用飞秒激光生成微结构而容易获得。两种类型的超疏油表面都对油和油性液体有很强的排斥性，只是超双疏材料在空气中工作，而水下超疏油材料在水中发挥功能。

通常，飞秒激光诱导的超亲水微结构在水下显示超疏气性，而超疏水微结构在水下显示超亲气性。水下超疏气表面可以排斥气泡，使气泡难以粘附在材料表面上。相反，气泡很容易在水下超亲气表面上铺散开，并被固体表面吸附。

飞秒激光可以直接在多种固体基底上直写出多孔微结构。将润滑液进一步填充到激光诱导的孔隙中，在固体基体表面形成了一层薄润滑层。所制备液体灌注超滑表面对各种纯或复合液体均表现出优异的排斥性。这些液滴可以从超滑表面上很容易滑下。

文中也简要介绍了新兴的水下超疏聚合物性和超疏液体金属性。飞秒激光制备的能够排斥水下液体聚合物或液体金属的微纳结构能够被用来操控聚合物和液体金属，以及实现这些特殊液体的图案化。水下超疏聚合物性和超疏液体金属性的概念是近两年才提出的。

图3. 飞秒激光制备的超疏水表面

除了详细的制备方法外，文中还举例说明了这些飞秒激光制备的超浸润表面的丰富应用。独特的表面浸润性使飞秒激光功能化材料在防液体、自清洁、防结冰/雾/雪、防污、油/水分离、防腐、减阻、水雾收集、液滴操纵、液体图案化、微流体、实验室芯片、细胞工程，浮力增强等方面有重要的应用。

图4. 飞秒激光制备的超浸润材料的一些应用

研究团队介绍

该综述论文以“Nature-Inspired Superwettability Achieved by Femtosecond Lasers”为题发表在Ultrafast Science杂志上。本文第一作者是西安交通大学电子科学与工程学院雍佳乐副教授，通讯作者是西安交通大学电子科学与工程学院陈烽教授。

陈烽，西安交通大学教授，博士生导师，陕西省信息光子技术重点实验室主任，教育部微纳制造与测试技术国际合作联合实验室副主任。主要研究方向包括：飞秒激光微纳制造、激光仿生微纳制造、超快光子学和微纳光子学等。在上述领域开展了大量原创性研究，先后提出了硬脆性材料飞秒激光三维微纳制造、飞秒激光仿生微纳制造、飞秒激光微纳工程制造、压缩超快光谱成像技术等。在Chem. Soc. Rev., Phys. Rev. Lett., Adv. Funct. Mater.等学术期刊上发表论文300余篇，ESI高被引论文9篇，H因子38，SCI被引5000余次。担任《Ultrafast Science》副主编，《Micromachine》、《光学学报》、《光子学报》等期刊编委等。先后有20篇论文被国际学术期刊选为封面文章。研究成果入选“2019中国光学十大进展”、“2015中国光学重要成果”，获得2013年国家教育部自然科学二等奖等；50余次做国际会议大会报告和特邀报告。申请及获得国家发明专利47项。获得国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学仪器开发专项、国家863计划、中国科学院创新方向性项目、中科院重点项目、中国科学院创新工程项目、陕西省重点科研项目等国家及省部级科研项目等项目的资助。

雍佳乐，2011年和2016年分别获得西安交通大学电子科学与技术专业学士学位和博士学位。主要研究方向为飞秒激光仿生微纳制造及材料表面润湿性调控。基于飞秒激光在工程材料表面诱导的仿生微纳米结构，围绕材料表面复杂润湿性调控的原理与方法开展了系统深入的激光仿生微纳制造研究。现已在国际知名SCI学术期刊发表学术论文90余篇（其中第一作者49篇，通讯作者7篇）。所发表论文目前总被引4000余次，H因子为33。担任杂志《Frontiers in Chemistry》编委，《International Journal of Extreme Manufacturing》（极端制造）青年编委。博士毕业论文《飞秒激光仿生调控材料表面润湿性》荣获“2018中国电子学会优秀博士学位论文奖”。透明水下抗油纳米界面的研究成果入选中国激光杂志社“2015中国光学重要成果”。部分研究成果被15次选为封面文章（前封面11篇），8篇文章（7篇一作，1篇通讯）先后入选ESI高被引论文。研究成果多次被英国皇家化学学会官网Chemistry World、Wiely出版社官方新闻网站Advanced Science News、国际著名工程学网站Advances in Engineering（AIE）、Materials Views China等媒体专题新闻报道。入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2020）。