1.背景介紹

浸潤(rùn)性是固體表面基本的物理化學(xué)性質(zhì)之一。自然界中許多動(dòng)植物都進(jìn)化出了特殊的浸潤(rùn)性表面以適應(yīng)所處的復(fù)雜生存環(huán)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(huán)境中防霧、昆蟲(chóng)會(huì)滑落進(jìn)豬籠草口袋中等（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，固體材料表面的浸潤(rùn)性主要由其化學(xué)組成和微觀幾何形貌共同決定。具有特殊浸潤(rùn)性的表面在能源利用、化工制造、醫(yī)療健康、****等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，因此特殊浸潤(rùn)性尤其是浸潤(rùn)性（也即超浸潤(rùn)性“superwettability"） 成為了當(dāng)前微納制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。

目前，多種微納制造技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)性材料的制備，如機(jī)械加工法、光刻法、化學(xué)刻蝕、模板復(fù)制法等，所制備的超浸潤(rùn)材料也獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，這些微納制造技術(shù)在制備超浸潤(rùn)表面方面仍受到了一些技術(shù)上的限制，如制備步驟復(fù)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(rùn)表面的實(shí)際應(yīng)用需求。發(fā)展一種通用的微納制造技術(shù)以實(shí)現(xiàn)各種超浸潤(rùn)材料的高效制備和浸潤(rùn)性的復(fù)雜調(diào)控仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 自然界中的特殊浸潤(rùn)性及表面微納結(jié)構(gòu)

2.關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

飛秒激光具有超短脈沖寬度和超高峰值功率等特點(diǎn)，是現(xiàn)代制造和超精密制造領(lǐng)域的重要工具之一。飛秒激光微加工技術(shù)具有熱效應(yīng)低、空間分辨率高、非接觸加工等優(yōu)點(diǎn)。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(jí)結(jié)構(gòu)，且激光焦點(diǎn)的位置可以被加工程序精確控制，因而飛秒激光也擅長(zhǎng)于微納結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)與調(diào)控（圖2）。利用飛秒激光在材料表面構(gòu)建特殊的微尺度、納尺度結(jié)構(gòu)，可獲得各種各樣的超浸潤(rùn)特性。

圖2 飛秒激光設(shè)計(jì)制備的各種二維和三維圖案化微結(jié)構(gòu)

2.1 超親水性和超疏水性

基于飛秒激光對(duì)材料表面微納結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)一系列特殊的浸潤(rùn)性：（1）超親水性。在本征親水材料表面上構(gòu)建足夠粗糙的微納結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超親水性。（2）超疏水性。對(duì)于本征疏水材料，可以直接在材料表面上構(gòu)建合適的微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)；而對(duì)于本征親水材料，通過(guò)飛秒激光構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)后，通常需要進(jìn)一步結(jié)合化學(xué)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(kāi)；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(jié)與展望

基于飛秒激光對(duì)材料表面微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性，可實(shí)現(xiàn)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(tài)金屬性、可調(diào)粘滯性、各向異性浸潤(rùn)性、智能可調(diào)浸潤(rùn)性等一系列浸潤(rùn)性質(zhì)。這些特殊的浸潤(rùn)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(qiáng)、微小液滴/氣泡釋放、油水分離、水/氣分離、防結(jié)冰、防腐蝕、水下減阻、水霧收集、微流控、柔性電路/電子器件、細(xì)胞工程、生物醫(yī)療、海水淡化、表面增強(qiáng)拉曼散射等方面獲得了廣泛應(yīng)用。

與其它制備超浸潤(rùn)微結(jié)構(gòu)的方法相比，飛秒激光加工方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

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

（2）飛秒激光加工過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通常經(jīng)一步燒蝕可直接形成多級(jí)微納結(jié)構(gòu)。相同的加工參數(shù)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(qiáng)。一方面，所制備微納結(jié)構(gòu)的形貌可以通過(guò)加工參數(shù)的調(diào)整而簡(jiǎn)單改變。另一方面，飛秒激光可精確控制加工位置，具有設(shè)計(jì)微納圖案化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大能力。圖案化的超浸潤(rùn)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)很多均勻微納結(jié)構(gòu)表面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)和功能。靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)使得飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)性的復(fù)雜精細(xì)調(diào)控。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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