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飞秒激光调控材料表面润湿性的新进展

发表于:2018-05-15 来源:高分子科学前沿
关键词: 飞秒激光
特殊(极端)润湿性表面材料拥有很多重要的应用领域,如防水防油、自清洁涂层、油水分离、抗腐蚀、防雾防结冰、水雾收集、微液滴操作、微流体、芯片实验室、水下减阻、细胞工程等等。近年来,作为一种新的方法和技术,飞秒激光微加工被应用于表面科学领域来调控固体材料表面的润湿性。超短脉冲宽度和极高峰值功率等特点使得飞秒激光在微加工方面具有许多独特的优势,例如烧蚀点附近小的热影响区域、非接触式加工、高的空间分辨率等。此外,理论上飞秒激光可加工绝大多数固态材料表面,包括半导体、金属、聚合物、高硬脆玻璃材料、陶瓷、甚至生物材料等。这种技术可以在广泛的材料表面上通过一步扫描的方法直接构造出微米/纳米分级复合结构。由于材料表面的润湿性不仅由表面化学组成决定,还受到表面微纳形貌的极大影响,因而这些飞秒激光烧蚀后的表面常常展现出各种各样独特的润湿性质。 近日,西安交通大学陈烽教授领导的飞秒激光仿生微纳制造团队在Wiley出版社期刊Advanced Materials Interfaces的连续两期上发表三篇论文介绍了课题组近期的部分研究工作。其中,一篇文章被选为第5卷,第6期的前封面文章;另外两篇分别被选为第5卷,第7期的前封面和底封面文章。 (一)飞秒激光仿生制备三方向各向异性滚动超疏水表面 大自然是最聪明的造物者,窥探自然的奥秘加以模仿是人类科技创新的有效路径之一。水滴在水稻叶表面上更倾向于沿平行于叶脉的方向滚动,使得雨滴露滴容易集于水稻根茎部,提高了水稻在干热气候条件下的环境适应性。蝴蝶翅膀上的水滴只能沿远离身体方向滚落,保证蝴蝶能在雨中飞行而不被打湿身体。虽然水稻叶与蝴蝶翅膀都具有各向异性滚动超疏水性,但水稻叶表现为二维各向异性(即液滴沿两个相互垂直方向的滚落行为有明显差异),而蝴蝶翅膀表现为一维各向异性(即液滴沿两个相反方向的滚落行为有明显差异)。研究发现,这些各向异性滚动特性均来自于生物体表面微米粗糙结构的方向性排布。仿生的真正意义在于模仿自然,并且逐渐超越自然。此前分别报道有模仿水稻叶或蝴蝶翅膀的仿生各向异性滚动超疏水表面,但超越自然地把二者特性加以结合的研究却很少被报道。 结合飞秒激光精确可控的微纳加工优势,通过选择性激光直写技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备了宽度、深度可控的周期性微沟槽阵列结构,并进一步在微沟槽中引入三维阶梯状结构。研究表明,周期性微沟槽结构表面显示类似水稻叶的二维各向异性滚动超疏水性。水滴更容易沿着沟槽方向滚落下去,而沿着与沟槽垂直方向相对较难滚落。其各向异性可通过沟槽深度及宽度进行调节。当在微沟槽中引入三维阶梯状结构后,表面又额外多了类似蝴蝶翅膀的一维各向异性滚动,水滴更容易沿着下台阶方向滚落下去,而沿其相反方向较难。所制备微台阶阵列结构整体呈现出三向各向异性滚动超疏水性,也即兼具类似水稻叶的二维各向异性和类似蝴蝶翅膀的一维各向异性滚动性。水滴在样品表面上沿三个不同方向具有三个不同大小的滚动角。此三向各向异性滚动表面能够用于实现微液滴的定向无损移动以及相关表面微流体复杂智能操控。 (二)飞秒激光仿猪笼草制备润滑液灌注超滑表面 你是否在电视节目或网络中看到过猪笼草捕食的场景?猪笼草是一种食虫植物。当一只昆虫落在猪笼草叶边缘上时,昆虫很难能够站稳,并且很容易从叶边缘滑落到猪笼草的内底部。最终被底部的消化液分解掉并最终被猪笼草所吸收。与昆虫类似,水滴或有机油滴同样容易在猪笼草表面上自由滑落。研究发现,许多微米级口袋结构定向地分布在猪笼草唇表面上。这些微口袋中填充着一种中间液体(称为润滑液体),形成了一薄层连续的被俘液体层在猪笼草表面上。该被俘润滑液层可以有效减弱猪笼草表面与昆虫或液滴的粘黏作用,从而赋予猪笼草表面出色的抗液特性。这种超滑表面一般被称为“液体灌注的多孔滑动表面(slippery liquid-infused porous surface (SLIPS))”。 研究发现,飞秒激光一步直写(femtosecond laser direct writing)的方法可以直接在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)等多种聚合物材料表面上形成一种3D多孔网络微纳结构。激光烧蚀后,大量的突出物和相互连通的微孔覆盖在PET表面上。该多孔表面再经过降低表面能和灌注润滑液体,便制备出了SLIPS。与猪笼草表面类似,所得超滑表面拥有极强的抗液性。各种各样化学纯的或复合液滴(如饮用水、十六烷、墨水、甘油、咖啡、可口可乐、牛奶、果汁、蛋清等)都可以在该样品表面上很容易滑下去,而不会有任何黏着或残留。即使经过100次弯折或摩擦,所制备表面依然保持出色的防液特性。此外,作者还发现原始飞秒激光烧蚀过的PET表面能够显著促进神经胶质瘤细胞的增殖,而超滑PET表面能够完全抑制该类细胞的生长。 (三)飞秒激光设计制备水下超疏油表面进展的邀请综述 飞秒激光微加工技术与水下超疏油性的碰撞产生了许多“绚丽的火花”。该邀请综述系统总结了飞秒激光诱导水下超疏油表面的最新进展,主要包括材料、制备方法、性质、多种功能和重要应用等。文章开始介绍了构建水下超疏油表面的原则和飞秒激光微纳加工的独特之处作为背景知识。基于“从空气中超亲水性到水下超疏油性”的思路,通过简单的飞秒激光烧蚀可在各种不同类型材料上实现水下超疏油性,如硅、玻璃、金属、聚合物等材料表面。此外,飞秒激光诱导的水下超疏油表面也被赋予了一些其它的额外性质,如可控油粘滞性、水下各向异性油润湿、透明性、稳定性等。这些多样性质使得所加工表面拥有了许多种实际应用。目前飞秒激光构建水下超疏油表面技术依然处于初始发展阶段,文章最后讨论了该领域当前所面临的一些挑战并展望了该领域的未来前景。 微信扫一扫,分享朋友圈
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