1.背景介紹

浸潤性是固體表面基本的物理化學性質之一。自然界中許多動植物都進化出了特殊的浸潤性表面以適應所處的復雜生存環境，例如荷葉具有自清潔功能、水黽能夠在水面上跳躍、蚊子眼能夠在潮濕環境中防霧、昆蟲會滑落進豬籠草口袋中等（圖1）。研究發現，固體材料表面的浸潤性主要由其化學組成和微觀幾何形貌共同決定。具有特殊浸潤性的表面在能源利用、化工制造、醫療健康、****等應用領域發揮著重要作用，因此特殊浸潤性尤其是浸潤性（也即超浸潤性“superwettability"） 成為了當前微納制造領域的熱點研究方向之一。

目前，多種微納制造技術已經被用來實現浸潤性材料的制備，如機械加工法、光刻法、化學刻蝕、模板復制法等，所制備的超浸潤材料也獲得了廣泛的應用。然而，這些微納制造技術在制備超浸潤表面方面仍受到了一些技術上的限制，如制備步驟復雜、局限于特定的基底材料、缺乏靈活性等，極大地限制了所制備超浸潤表面的實際應用需求。發展一種通用的微納制造技術以實現各種超浸潤材料的高效制備和浸潤性的復雜調控仍是一個巨大的挑戰。

圖1 自然界中的特殊浸潤性及表面微納結構

2.關鍵技術進展

飛秒激光具有超短脈沖寬度和超高峰值功率等特點，是現代制造和超精密制造領域的重要工具之一。飛秒激光微加工技術具有熱效應低、空間分辨率高、非接觸加工等優點。特別地，飛秒激光可以作用任意給定的材料，在材料表面直接制備出不同類型的微米/納米多級結構，且激光焦點的位置可以被加工程序精確控制，因而飛秒激光也擅長于微納結構的精細設計與調控（圖2）。利用飛秒激光在材料表面構建特殊的微尺度、納尺度結構，可獲得各種各樣的超浸潤特性。

圖2 飛秒激光設計制備的各種二維和三維圖案化微結構

2.1 超親水性和超疏水性

基于飛秒激光對材料表面微納結構的精細設計，可以實現一系列特殊的浸潤性：（1）超親水性。在本征親水材料表面上構建足夠粗糙的微納結構，進而實現超親水性。（2）超疏水性。對于本征疏水材料，可以直接在材料表面上構建合適的微納米多級結構；而對于本征親水材料，通過飛秒激光構建微納結構后，通常需要進一步結合化學修飾的方法降低表面能。水滴在超親水表面上能夠快速鋪散開；相反，超疏水表面具有排斥水、防水的功能（圖3）。

圖3 飛秒激光加工賦予各種金屬超疏水性及防水功能

3.總結與展望

基于飛秒激光對材料表面微納結構進行設計和改性，可實現超親水與超疏水性、超疏油性、水下超親氣與超疏氣性、液體灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、超疏液態金屬性、可調粘滯性、各向異性浸潤性、智能可調浸潤性等一系列浸潤性質。這些特殊的浸潤性使得飛秒激光作用后的材料在防水/防油/防氣、自清潔、液滴操控、液體圖案化、浮力增強、微小液滴/氣泡釋放、油水分離、水/氣分離、防結冰、防腐蝕、水下減阻、水霧收集、微流控、柔性電路/電子器件、細胞工程、生物醫療、海水淡化、表面增強拉曼散射等方面獲得了廣泛應用。

與其它制備超浸潤微結構的方法相比，飛秒激光加工方法具有獨特的優勢：

（1）飛秒激光可以加工幾乎任意給定的材料。該特點使得飛秒激光調控材料表面浸潤性技術不會局限于特定材料，能夠賦予廣泛的材料以特殊的浸潤性能。

（2）飛秒激光加工過程相對比較簡單，通常經一步燒蝕可直接形成多級微納結構。相同的加工參數和加工條件可以很容易延伸到加工其它同類材料。

（3）飛秒激光加工方法靈活性比較強。一方面，所制備微納結構的形貌可以通過加工參數的調整而簡單改變。另一方面，飛秒激光可精確控制加工位置，具有設計微納圖案化結構的強大能力。圖案化的超浸潤結構可以實現很多均勻微納結構表面無法實現的性質和功能。靈活性強的特點使得飛秒激光可以實現浸潤性的復雜精細調控。

參考文獻： 中國光學期刊網

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