特殊（極端）潤濕性表面材料擁有很多重要的應(yīng)用領(lǐng)域，如防水防油、自清潔涂層、油水分離、抗腐蝕、防霧防結(jié)冰、水霧收集、微液滴操作、微流體、芯片實(shí)驗(yàn)室、水下減阻、細(xì)胞工程等等。近年來，作為一種新的方法和技術(shù)，飛秒激光微加工被應(yīng)用于表面科學(xué)領(lǐng)域來調(diào)控固體材料表面的潤濕性。超短脈沖寬度和極高峰值功率等特點(diǎn)使得飛秒激光在微加工方面具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，例如燒蝕點(diǎn)附近小的熱影響區(qū)域、非接觸式加工、高的空間分辨率等。此外，理論上飛秒激光可加工絕大多數(shù)固態(tài)材料表面，包括半導(dǎo)體、金屬、聚合物、高硬脆玻璃材料、陶瓷、甚至生物材料等。這種技術(shù)可以在廣泛的材料表面上通過一步掃描的方法直接構(gòu)造出微米/納米分級復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于材料表面的潤濕性不僅由表面化學(xué)組成決定，還受到表面微納形貌的極大影響，因而這些飛秒激光燒蝕后的表面常常展現(xiàn)出各種各樣獨(dú)特的潤濕性質(zhì)。

    近日，西安交通大學(xué)陳烽教授領(lǐng)導(dǎo)的飛秒激光仿生微納制造團(tuán)隊(duì)在Wiley出版社期刊Advanced Materials Interfaces的連續(xù)兩期上發(fā)表三篇論文介紹了課題組近期的部分研究工作。其中，一篇文章被選為第5卷，第6期的前封面文章；另外兩篇分別被選為第5卷，第7期的前封面和底封面文章。

    （一）飛秒激光仿生制備三方向各向異性滾動超疏水表面

    大自然是最聰明的造物者，窺探自然的奧秘加以模仿是人類科技創(chuàng)新的有效路徑之一。水滴在水稻葉表面上更傾向于沿平行于葉脈的方向滾動，使得雨滴露滴容易集于水稻根莖部，提高了水稻在干熱氣候條件下的環(huán)境適應(yīng)性。蝴蝶翅膀上的水滴只能沿遠(yuǎn)離身體方向滾落，保證蝴蝶能在雨中飛行而不被打濕身體。雖然水稻葉與蝴蝶翅膀都具有各向異性滾動超疏水性，但水稻葉表現(xiàn)為二維各向異性（即液滴沿兩個相互垂直方向的滾落行為有明顯差異），而蝴蝶翅膀表現(xiàn)為一維各向異性（即液滴沿兩個相反方向的滾落行為有明顯差異）。研究發(fā)現(xiàn)，這些各向異性滾動特性均來自于生物體表面微米粗糙結(jié)構(gòu)的方向性排布。仿生的真正意義在于模仿自然，并且逐漸超越自然。此前分別報(bào)道有模仿水稻葉或蝴蝶翅膀的仿生各向異性滾動超疏水表面，但超越自然地把二者特性加以結(jié)合的研究卻很少被報(bào)道。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第6期的前封面

    結(jié)合飛秒激光精確可控的微納加工優(yōu)勢，通過選擇性激光直寫技術(shù)在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面制備了寬度、深度可控的周期性微溝槽陣列結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步在微溝槽中引入三維階梯狀結(jié)構(gòu)。研究表明，周期性微溝槽結(jié)構(gòu)表面顯示類似水稻葉的二維各向異性滾動超疏水性。水滴更容易沿著溝槽方向滾落下去，而沿著與溝槽垂直方向相對較難滾落。其各向異性可通過溝槽深度及寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)在微溝槽中引入三維階梯狀結(jié)構(gòu)后，表面又額外多了類似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動，水滴更容易沿著下臺階方向滾落下去，而沿其相反方向較難。所制備微臺階陣列結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出三向各向異性滾動超疏水性，也即兼具類似水稻葉的二維各向異性和類似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動性。水滴在樣品表面上沿三個不同方向具有三個不同大小的滾動角。此三向各向異性滾動表面能夠用于實(shí)現(xiàn)微液滴的定向無損移動以及相關(guān)表面微流體復(fù)雜智能操控。

圖：微溝槽陣列結(jié)構(gòu)和微臺階陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各向異性滾動

    該工作的通訊作者為陳烽教授和西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊青副教授，團(tuán)隊(duì)中在讀博士生方瑤為論文的第一作者。論文以前封面形式發(fā)表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第6期上。

    參考文獻(xiàn)：

    Y.Fang, J. L. Yong, F. Chen*, J. Huo, Q. Yang*, J. Zhang, X. Hou,Bioinspired Fabrication of Bi/Tridirectionlly Anisotropic SlidingSuperhydrophobic PDMS Surfaces by Femtosecond Laser. Adv. Mater. Interfaces,2018, 5, 1701245.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admi.201701245

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870024

    （二）飛秒激光仿豬籠草制備潤滑液灌注超滑表面

    你是否在電視節(jié)目或網(wǎng)絡(luò)中看到過豬籠草捕食的場景？豬籠草是一種食蟲植物。當(dāng)一只昆蟲落在豬籠草葉邊緣上時，昆蟲很難能夠站穩(wěn)，并且很容易從葉邊緣滑落到豬籠草的內(nèi)底部。最終被底部的消化液分解掉并最終被豬籠草所吸收。與昆蟲類似，水滴或有機(jī)油滴同樣容易在豬籠草表面上自由滑落。研究發(fā)現(xiàn)，許多微米級口袋結(jié)構(gòu)定向地分布在豬籠草唇表面上。這些微口袋中填充著一種中間液體（稱為潤滑液體），形成了一薄層連續(xù)的被俘液體層在豬籠草表面上。該被俘潤滑液層可以有效減弱豬籠草表面與昆蟲或液滴的粘黏作用，從而賦予豬籠草表面出色的抗液特性。這種超滑表面一般被稱為“液體灌注的多孔滑動表面（slippery liquid-infused porous surface （SLIPS））”。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期的前封面

    研究發(fā)現(xiàn)，飛秒激光一步直寫（femtosecond laser direct writing）的方法可以直接在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龍（PA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）、聚乳酸（PLA）等多種聚合物材料表面上形成一種3D多孔網(wǎng)絡(luò)微納結(jié)構(gòu)。激光燒蝕后，大量的突出物和相互連通的微孔覆蓋在PET表面上。該多孔表面再經(jīng)過降低表面能和灌注潤滑液體，便制備出了SLIPS。與豬籠草表面類似，所得超滑表面擁有極強(qiáng)的抗液性。各種各樣化學(xué)純的或復(fù)合液滴（如飲用水、十六烷、墨水、甘油、咖啡、可口可樂、牛奶、果汁、蛋清等）都可以在該樣品表面上很容易滑下去，而不會有任何黏著或殘留。即使經(jīng)過100次彎折或摩擦，所制備表面依然保持出色的防液特性。此外，作者還發(fā)現(xiàn)原始飛秒激光燒蝕過的PET表面能夠顯著促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖，而超滑PET表面能夠完全抑制該類細(xì)胞的生長。

圖：飛秒激光制備超滑PET表面的過程

    該工作的通訊作者為陳烽教授和西安交通大學(xué)生命學(xué)院盧曉云教授，團(tuán)隊(duì)中青年講師雍佳樂博士和在讀博士生霍靜嵐為論文共同第一作者。論文以前封面形式發(fā)表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期上。

    參考文獻(xiàn)：

    J. L. Yong＃， J. Huo＃， Q.Yang, F. Chen*, Y. Fang, X. Wu, L. Liu, X. Lu*, J. Zhang, X. Hou, FemtosecondLaser Direct Writing of Porous Network Microstructures for FabricatingSuper-Slippery Surfaces with Excellent Liquid Repellence and Anti-CellProliferation. Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1701479.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201701479

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870029

    （三）飛秒激光設(shè)計(jì)制備水下超疏油表面進(jìn)展的邀請綜述

    飛秒激光微加工技術(shù)與水下超疏油性的碰撞產(chǎn)生了許多“絢麗的火花”。該邀請綜述系統(tǒng)總結(jié)了飛秒激光誘導(dǎo)水下超疏油表面的最新進(jìn)展，主要包括材料、制備方法、性質(zhì)、多種功能和重要應(yīng)用等。文章開始介紹了構(gòu)建水下超疏油表面的原則和飛秒激光微納加工的獨(dú)特之處作為背景知識。基于“從空氣中超親水性到水下超疏油性”的思路，通過簡單的飛秒激光燒蝕可在各種不同類型材料上實(shí)現(xiàn)水下超疏油性，如硅、玻璃、金屬、聚合物等材料表面。此外，飛秒激光誘導(dǎo)的水下超疏油表面也被賦予了一些其它的額外性質(zhì)，如可控油粘滯性、水下各向異性油潤濕、透明性、穩(wěn)定性等。這些多樣性質(zhì)使得所加工表面擁有了許多種實(shí)際應(yīng)用。目前飛秒激光構(gòu)建水下超疏油表面技術(shù)依然處于初始發(fā)展階段，文章最后討論了該領(lǐng)域當(dāng)前所面臨的一些挑戰(zhàn)并展望了該領(lǐng)域的未來前景。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期的底封面

圖：飛秒激光制備的水下透明超疏油玻璃表面

    該文章的通訊作者為陳烽教授，團(tuán)隊(duì)中青年講師雍佳樂博士為論文第一作者。論文以底封面形式發(fā)表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期上。

    參考文獻(xiàn)：

    J.L. Yong, F. Chen*, Q. Yang, Z. Jiang, X. Hou, A Review ofFemtosecond-Laser-Induced Underwater Superoleophobic Surfaces. Adv. Mater.Interfaces, 2018, 5, 1701370.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201701370

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870033

    近年來，陳烽教授課題組以飛秒激光為手段，借助仿生的思路在各種材料表面上構(gòu)建微納米精細(xì)結(jié)構(gòu)以及微圖案，實(shí)現(xiàn)了一系列功能材料的表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和潤濕性調(diào)控，并初步探索出獲得超疏水（Langmuir 2011, 27, 359-365; Soft Matter 2011, 7, 8337-8342; ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 4905-4912; Appl. Phys. A 2013, 111, 243-249; Langmuir 2013, 29,3274-3279; J. Phys. Chem. C 2013, 117, 24907-24912; J. Mater. Chem. A 2014, 2,5499-5507; Appl. Surf. Sci. 2014, 288, 579-583; RSC Adv. 2014, 4, 8138-8143; J.Micromech. Microeng. 2014, 24, 035006; Chem. Commun. 2015, 51, 9813-9816; Appl.Surf. Sci. 2016, 389, 1148-1155; Appl. Phys. A 2016, 122, 827; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 25249-25257; Adv.Mater. Interfaces 2018, 5, 1701245）、水下超疏油（J. Mater. Chem. A 2014, 2,8790-8795; Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 071608; J. Mater. Chem. A 2015, 3,10703-10709; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9379-9384; Adv. Mater. Interfaces 2015,2, 1400388; RSC Adv. 2015, 5, 40907-40911; Appl. Phys. A 2015, 119, 837-844;Langmuir 2017, 33, 3659-3665; Appl. Phys. A 2017, 123, 594）、水下超疏空氣（ACS Appl.Mater. Interfaces 2017, 9, 39863-39871; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 25249-25257;Nanoscale 2018, 10, 3688-3696）以及潤滑液灌注超滑表面（Adv.Mater. Interfaces 2017, 4, 1700552; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1701479）等極端潤濕性界面的構(gòu)建方法和關(guān)鍵加工參數(shù)。在飛秒激光仿生調(diào)控材料表面潤濕性研究領(lǐng)域做出了許多引領(lǐng)性工作，相關(guān)研究成果被九次選為期刊封面文章（包括八個前封面和一個底封面）。

    以上工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)、機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和微納制造與測試技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的大力支持。

    陳烽教授個人主頁：

    http://gr.xjtu.edu.cn/web/chenfeng

    雍佳樂講師個人主頁：

    http://gr.xjtu.edu.cn/web/jlyong

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