固、液、氣是物質的三種基本形態。每一種形態往往會與其它形態彼此接觸在一起，形成不同類型的固/液/氣界面。在固/液/氣界面處的極端潤濕性有著廣闊的應用領域，如防水防油、自清潔涂層、油水分離、抗腐蝕、防霧防結冰、水霧收集、微液滴操作、微流體、芯片實驗室、水下減阻、細胞工程等等。

    近日，陳烽教授領西安交通大學導的飛秒激光仿生微納制造團隊在飛秒激光制備的PDMS微納多級表面結構上獲得了六種極端潤濕特性，包括超疏水、超親水、水下超疏油、水下超親油、水下超疏氣、和水下超親氣性。該團隊進一步提出了一種簡單、無需掩膜板直接構建潤濕性相異復合圖案結構的方法。該工作的第一完成人為青年講師雍佳樂博士。

    ▲ 圖：飛秒激光燒蝕后的PDMS表面微結構。

    飛秒激光燒蝕可以一步直接在PDMS表面上構建一種微米納米復合結構。所形成粗糙結構增強了PDMS樣品的疏水性，使激光燒蝕后的樣品擁有超疏水和極低水粘滯性。當將該樣品浸入水下后，激光燒蝕區域有明顯的反光現象，也稱為“銀鏡效應”。這說明在激光誘導的微納結構周圍附著了一層空氣層。當將油滴或氣泡滴落在該水下樣品上時，油滴或氣泡會很快沿著該空氣層鋪散開。這個過程由壓力和毛細作用驅動完成。最終使得樣品顯示水下超親油性和水下超親氣性。

    ▲ 圖：飛秒激光燒蝕的PDMS表面顯示超疏水，水下超親油，以及水下超親氣性。再經氧等離子體處理后顯示超親水，水下超疏油，以及水下超疏氣性。

    如果飛秒激光誘導的粗糙PDMS表面進一步經過短時間氧等離子體照射處理，在表面上會形成一層親水的硅烷醇基（–SiOH）。加之微納多級結構的作用，使得該PDMS表面的潤濕性在空氣中轉變為超親水性。當將該樣品浸入水下時，水會完全潤濕激光作用區域并且填充在粗糙微納結構之間，形成一層被俘水層。此時銀鏡反光完全消失。當將油滴或氣泡滴落在該樣品表面上時，該微納結構間的被俘水層可以抑制油滴/氣泡與PDMS表面的有效接觸。這主要由于極性的水分子常常排斥非極性的油分子，同時水相與氣相間也存在著排斥作用。最終使得油滴和氣泡在該PDMS樣品上保持近似球形，達到內能最小。當將樣品稍微傾斜，油滴和氣泡會很容易滾走。此時，樣品表面顯示水下超疏油性和水下超疏氣性。

    ▲ 圖：超疏水PDMS表面在水下呈現超親油和超親氣性的形成機理，以及超親水PDMS表面在水下呈現超疏油和超疏氣性的形成機理。

    在同一個樣品上構建潤濕性相反的不同區域有許多重要的應用。飛秒激光最初燒蝕的PDMS表面具有超疏水性，水下超親油性和水下超親氣性。而進一步經氧等離子體處理后使其具有超親水性，水下超疏油和水下超疏氣性。這種潤濕性轉變為研究者們提供了一種構建復合潤濕性圖案結構的簡單方法。由于氧等離子體具有流動性，因而不能使用傳統的光學掩膜板來選擇性處理PDMS表面上不同的區域。作者聯想到白板筆在白板上書寫文字并且可以隨時擦去的過程，提出了一種在激光燒蝕后的PDMS表面上“繪制”超疏/親液（氣）復合圖案的方案。首先將不需氧等離子處理的區域用筆涂畫黑。然后將樣品進行短時間氧等離子體處理。油性涂料阻隔了氧等離子體與其下面粗糙PDMS結構的接觸，使得氧等離子體只能夠處理未繪涂區域。最后將樣品在丙酮溶液中清洗去除油墨，并且快速吹干。這樣，通過選擇性氧等離子體處理，可以在飛秒激光燒蝕后的PDMS表面上獲得超疏水-超親水，水下超疏油-超親油，水下超疏氣-超親氣復合圖案，同時集聚六種極端潤濕性。該方法可以任意構建不同形狀的復合潤濕性圖案。

    ▲ 圖：在飛秒激光燒蝕的PDMS表面上通過選擇性氧等離子體處理獲得超疏水-超親水，水下超疏油-超親油，水下超疏氣-超親氣復合圖案結構。

    氧等離子體處理后的PDMS表面在空氣中會逐漸恢復其最初的超疏水性。研究發現，將樣品儲存在去離子水下可以長時間保持其超親水性。另一方面，多次氧等離子體處理可使其“老化”，使該PDMS表面更長久擁有超親水性。作者所所提出方法可以隨意設計不同復合潤濕性圖案結構，并可潛在直接應用于液滴/液體圖案化、表面微流體系統、細胞圖案化、液晶圖案化等實際應用中。

    參考文獻：

    J. Yong, F. Chen*, M.Li, Q. Yang*, Y. Fang, J. Huo and X. Hou, Remarkably Simple Achievement of Superhydrophobicity,Superhydrophilicity, Underwater Superoleophobicity, Underwater Superoleophilicity,Underwater superaerophobicity, and Underwater Superaerophilicity on FemtosecondLaser Ablated PDMS Surfaces. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25249-25257.

    文章鏈接：

    http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c7ta07528f

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414