特殊（極端）潤(rùn)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(lái)，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(lái)調(diào)控固體材料表面的潤(rùn)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(shì)，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(guò)一步掃描的方法直接構(gòu)造出微米/納米分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于材料表面的潤(rùn)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(rùn)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(dòng)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(lèi)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(dòng)，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(dòng)超疏水性，但水稻葉表現(xiàn)為二維各向異性（即液滴沿兩個(gè)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(gè)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(dòng)特性均來(lái)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(dòng)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(shì)，通過(guò)選擇性激光直寫(xiě)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(lèi)似水稻葉的二維各向異性滾動(dòng)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(duì)較難滾落。其各向異性可通過(guò)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(lèi)似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動(dòng)，水滴更容易沿著下臺(tái)階方向滾落下去，而沿其相反方向較難。所制備微臺(tái)階陣列結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出三向各向異性滾動(dòng)超疏水性，也即兼具類(lèi)似水稻葉的二維各向異性和類(lèi)似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動(dòng)性。水滴在樣品表面上沿三個(gè)不同方向具有三個(gè)不同大小的滾動(dòng)角。此三向各向異性滾動(dòng)表面能夠用于實(shí)現(xiàn)微液滴的定向無(wú)損移動(dòng)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(tái)階陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各向異性滾動(dòng)

    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(rùn)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(guò)豬籠草捕食的場(chǎng)景？豬籠草是一種食蟲(chóng)植物。當(dāng)一只昆蟲(chóng)落在豬籠草葉邊緣上時(shí)，昆蟲(chóng)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(chóng)類(lèi)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(jí)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(chēng)為潤(rùn)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(rùn)滑液層可以有效減弱豬籠草表面與昆蟲(chóng)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(chēng)為“液體灌注的多孔滑動(dòng)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(xiě)（femtosecond laser direct writing）的方法可以直接在聚對(duì)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(guò)降低表面能和灌注潤(rùn)滑液體，便制備出了SLIPS。與豬籠草表面類(lèi)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(lè)、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(huì)有任何黏著或殘留。即使經(jīng)過(guò)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(guò)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(lèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)。

圖：飛秒激光制備超滑PET表面的過(guò)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(lè)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(qǐng)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(qǐng)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(kāi)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(shí)。基于“從空氣中超親水性到水下超疏油性”的思路，通過(guò)簡(jiǎn)單的飛秒激光燒蝕可在各種不同類(lèi)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(rùn)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(lái)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(lè)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(lái)，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(rùn)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(rùn)滑液灌注超滑表面（Adv.Mater. Interfaces 2017, 4, 1700552; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1701479）等極端潤(rùn)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(rùn)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(gè)前封面和一個(gè)底封面）。

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

    陳烽教授個(gè)人主頁(yè)：

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

    雍佳樂(lè)講師個(gè)人主頁(yè)：

    http://gr.xjtu.edu.cn/web/jlyong

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