近年來，具有可控的微納米結構和浸潤性多功能表面在液滴操縱領域展現出巨大的應用潛力。受大自然中動植物表面特殊浸潤性結構的啟發(fā)，人們已經發(fā)展出多種方法來制備超浸潤表面。目前飛秒激光微加工技術可在多種基底上精確構筑微納米結構，已成功用于調控固體材料表面的浸潤性。相比于傳統(tǒng)激光，飛秒激光具有熱效應小、加工精度高等特點。然而，幾乎所有的飛秒激光調控浸潤性方法都利用了“熱效應小”的特點，在沒有后處理時通常只能實現一種超浸潤表面的制備。通過調節(jié)飛秒激光加工的熱效應，合理設計各種圖案和制備可控潤濕性多功能表面的研究鮮有報道。

Femtosecond Laser Thermal Accumulation?Triggered Micro?/Nanostructures with Patternable and Controllable Wettability Towards Liquid Manipulating

Kai Yin, Lingxiao Wang, Qinwen Deng, Qiaoqiao Huang, Jie Jiang*, Guoqiang Li*, Jun He*

Nano-Micro Letters (2022)14: 97

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00840-6

本文亮點

1. 利用飛秒激光熱積累效應構建了圖案化和可控浸潤性表面并用于液滴操縱。

2. PI膜表面的浸潤性可以連續(xù)地從超親水(~3.6°)調節(jié)至超疏水(~151.6°) 。

3. 制備了三種特殊浸潤性的圖案化表面，分別實現了水運輸、液滴微陣列和液體容器。

內容簡介

中南大學銀愷副教授、何軍教授、蔣杰副教授聯合西南科技大學李國強教授課題組通過飛秒激光加工熱積累效應，在聚酰亞胺薄膜(PI)上成功實現了圖案化和可控浸潤性表面的制備，并用于多功能液滴操縱。通過調控飛秒激光加工PI膜表面的熱量積累，其界面的浸潤性可以連續(xù)的從超親水(~3.6°)調節(jié)至超疏水(~151.6°)，其中不需要任何的后處理過程。研究結果表明，飛秒激光加工的不同熱效應可以調控樣品表面的化學成分和微納結構形貌，從而實現可控浸潤性界面的制造。此外，制備出的超親水和超疏水樣品具有良好的穩(wěn)定性和抗彎曲性能，在空氣中放置一周后仍然保持優(yōu)異的浸潤性能。進一步構筑了三種不同的超疏水-超親水圖案化表面，分別實現了定向水運輸，快速構建液滴微陣列和液體容器。該研究為加工圖案化和可控浸潤性的多功能液滴操縱表面提供了一種新思路。

圖文導讀

I 飛秒激光加工可控潤濕性表面和應用示意

不同重復頻率和能量的激光會在PI膜表面生成不同的微納結構。當重復頻率達到或高于100 kHz時，飛秒激光加工PI膜表面的宏觀溫度才會隨功率百分比的增加而顯著升高，其樣品表面展現出明顯的熱積累效應。低重復頻率低能量處理下的樣品(LRLLP)是灰色的，相比之下，高重復頻率高能量處理得到的樣品(HRHLP)是黑色的。通過設計與構建不同的超疏水-超親水(SHB-SHL)圖案化表面，可以實現水運輸，快速構建液滴微陣列和液體容器。

圖1. (a)飛秒激光加工PI薄膜的示意圖，其中右上角的數據圖為不同頻率下，單脈沖能量百分比與激光加工過程中的材料界面溫度關系曲線；(b)圖為PI，LRLLP和HRHLP的光學照片；(c)超疏水-超親水圖案化表面用于液滴操縱的示意圖。

II PI、LRLLP和HRHLP的結構形貌與元素表征

從圖2b和2c可以看到，LRLLP樣品表面生成了寬度約為0.5 μm的蠕蟲狀結構，HRHLP樣品表面則是網格狀的結構，而且這些網格狀的結構上還均勻覆蓋著納米顆粒。EDS的相關數據表明(圖2d-2f)，低重復頻率低能量的激光使得PI膜表面的N元素含量下降，相比之下，高頻率高能量的激光使N和O元素含量同時顯著降低。此外，兩種處理后的樣品LCM圖像表明，LRLLP樣品表面高度起伏約為5 μm，HRHLP樣品表面結構尺寸在5-20 μm。

圖2. (a) PI、(b) LRLLP和(c) HRHLP的SEM圖；(d) PI、(e) LRLLP和(f) HRHLP的EDS數據；(g) LRLLP和(h) HRHLP的LCM圖。

III PI、LRLLP和HRHLP的浸潤性測試與分析

通過接觸角測量儀，得出PI膜是親水的，LRLLP是超親水，而HRHLP具有超疏水性。不同重復頻率和能量的飛秒激光可以改變PI表面化學成分和微納結構形貌，從而實現其表面的特殊浸潤性調控。從圖3j和3k可以看到，實現可控浸潤性的條件是確定合適的重復頻率等加工參數。此外，在空氣中放置一周后，LRLLP和HRHLP的潤濕性幾乎不會發(fā)生改變。

圖3. (a) PI、(b) LRLLP和(c) HRHLP的靜態(tài)水接觸角；(d) PI、(e) LRLLP和(f) HRHLP的表面潤濕性機理示意圖；(g) PI、(h) LRLLP和(i) HRHLP的水滴表面動態(tài)行為照片；(j) 不同重復頻率和能量的激光處理后的樣品表面的水接觸角；(k) 不同掃描速度下的LRLLP和HRHLP的水接觸角；(l) LRLLP和HRHLP在空氣中放置一周內表面的水接觸角變化。

IV 水運輸和快速構建液滴微陣列

由超親水路徑和超疏水邊界所組成復合圖案可以實現水運輸。向超親水路徑的一端緩慢滴水，水會沿著所設計的蛇形超親水路徑方向擴散運輸，最終到達終點并充滿整個超親水界面。圓形的超親水陣列和超疏水邊界組成復合圖案表面可用于快速構建液滴微陣列。將該圖案化表面浸沒在水中，然后從水中拿出，就能構建得到如圖4f的液滴微陣列。

圖4. 水在超親水路徑上運輸的(a)示意圖、(b)定性機理；(c)水運輸的光學照片和(d)紅外圖像；(e)快速構建液滴微陣列的示意圖；(f)液滴微陣列的光學照片；(g)充滿水的超疏水-超親水圖案化表面的光學照片。

IV 具有自愈和高容量特性的液體容器

由超疏水區(qū)域包圍的環(huán)狀超親水區(qū)域，可用于構筑液體容器。如圖5b，水能被限制在超親水區(qū)域形成一個穩(wěn)定的水墻，該水墻能容納油滴，從而形成液體容器。該液體容器具有自愈特性，用小刀切割后，液體容器結構仍然保持完整。此外，液體容器還具有高容量特性。在測試中，由于水和油交界處表面張力的平衡，水墻能容納的最大油高度始終遠大于水墻的高度，表現了液體容器的高容量特性。

圖5. 液體容器的(a)示意圖和(b)構建過程；液體容器的自愈性能測試(c)和高容量特性測試(d)；(e)容納不同體積的油的液體容器的橫截面示意圖；(f)液體容器所含油的最大高度、環(huán)形水壁的高度和水的體積的關系曲線。

作者簡介

銀愷

本文第一作者

中南大學 副教授

▍主要研究領域

超快激光微納制造、功能性材料在能源與環(huán)境中的應用。

▍個人簡介

博士生導師，高性能復雜制造國家重點實驗室學術骨干，入選湖南省科技創(chuàng)新“湖湘青年英才”計劃，湖南省優(yōu)秀青年科學基金獲得者；獲IAAM青年科學家獎、日內瓦國際發(fā)明展銀獎、湖南省優(yōu)秀博士學位論文。一直從事超快激光微納制造方法與功能性材料制備的研究，主持國家自然科學基金面上項目等課題8項。以第一/通訊作者在Nano Lett., Nano-Micro Lett., Appl. Phys. Lett.(7篇)等發(fā)表學術論文43篇(10篇高被引論文, 4篇熱點論文)，申請與授權國家發(fā)明專利10余項。

▍Email: kaiyin@csu.edu.cn

蔣杰

本文通訊作者

中南大學 副教授

▍主要研究領域

光電功能材料與器件。

▍個人簡介

博士生導師，以第一/通訊作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Small等國際權威SCI期刊發(fā)表學術論文50篇(其中第一作者18篇，通訊作者32篇)。研究成果多次被《Nature Asia Materials》、《Material Views-China》、《X-MOL》、《材料人》、《騰訊新聞》等國內外傳媒作為“Research Highlight”新聞報道。

▍Email: jiangjie@csu.edu.cn

李國強

本文通訊作者

西南科技大學 教授

▍主要研究領域

超快激光微納制造。

▍個人簡介

博士生導師，四川省人才計劃特聘專家，微納仿生系統(tǒng)與智能化研究團隊負責人。以第一/通訊作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等國際學術期刊發(fā)表SCI論文40余篇，其中一區(qū)論文30篇。承擔了國防科工局十四五基礎科研計劃項目、裝備預研領域基金項目、國家重點研發(fā)計劃子課題、國家自然科學基金(5項)等省部級以上課題20余項。

▍Email: guoqli@swust.edu.cn

何軍

本文通訊作者

中南大學 教授

▍主要研究領域

超快激光與物質相互作用。

▍個人簡介

芙蓉學者特聘教授，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。中南大學黨委常委、副校長，僑聯主席，湖南省納米光子學與器件重點實驗室主任。以第一/通訊作者在以Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano為代表的國際期刊發(fā)表SCI論文200余篇，SCI引用5500余次，h-index 42。擔任《中國科學：物理學 力學 天文學》青年編委，《中國光學》、《光電工程》、《中南大學學報(英文版)》編委；國家重點研發(fā)計劃重大專項、廣東省重點研發(fā)計劃重大專項會評專家；教育部本科教育教學審核評估會評專家；湖南省高等教育學會副會長、湖南省光學學會副理事長、湖南省學科評議組成員、湖南省學位授權點合格評估專家、湖南省僑聯特聘專家；中南大學物理學科帶頭人、國家基礎學科拔尖學生培養(yǎng)計劃2.0基地負責人等。

▍Email: junhe@csu.edu.cn

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(英文)》編輯部