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浸润性是固体表面重要的物理化学性质之一。其中，具有特殊浸润性的表面格外引人瞩目。由于在能源利用、环境保护、化工制造、医疗健康、可持续发展、军事国防、生产制造、农业养殖等应用领域发挥的重要作用，特殊浸润性尤其是极端浸润性成为了当前微纳制造领域的热点研究方向之一。研究发现，浸润性是材料表面化学组成和微观几何形貌协同作用的结果。受自然界中超浸润现象的启发，多种微纳制造技术可被用来制备极端浸润性材料。然而，传统的微纳制造技术在制备超浸润表面方面仍受到了一些技术上的限制，例如制备步骤复杂、局限于特定的基底材料、缺乏灵活性等。特别是多数微加工方法只能处理特殊限定的材料，极大地限制了所制备超浸润表面的实际应用需求。发展一种通用的微纳制造技术实现各种超浸润微结构表面的制备仍是一个巨大的挑战。
图1 飞秒激光微加工技术可实现的各种极端浸润性。
激光是20世纪最伟大的发明之一。超快激光如飞秒（10-15 s）激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的特点。近年来，飞秒激光逐渐发展成为了现代极端制造和超精密制造领域的一种重要工具。飞秒激光微加工技术具有热效应小、空间分辨率高、非接触加工等优点。特别地，飞秒激光可以作用任意给定的材料，能够在这些材料表面上直接制备出不同类型的微米/纳米结构。飞秒激光也擅长于微纳结构的精细设计与调控。由于表面微结构对固体材料的浸润性有至关重要的影响，通过飞秒激光在材料表面构建特殊的微尺度、纳尺度结构，可获得各种各样的超浸润特性。相比于传统微加工方法，飞秒激光在设计和改性材料表面浸润性领域显示出巨大的优势，尤其在普适性和灵活性方面。
图2飞秒激光制备的各种二维/三维微纳图案化结构。
近日，来自西安交通大学的陈烽教授团队受Ultrafast Science杂志（中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊）编辑邀请发表综述文章系统总结了飞秒激光微纳加工技术在调控材料表面浸润性领域的应用进展。受大自然的启发，通过飞秒激光处理在固体材料表面制备各种微纳复合结构，可以获得超疏水、超亲水、超双疏、水下超疏油、水下超疏/亲气、液体灌注超滑表面、以及能够排斥特殊液体（如聚合物、液体金属）的不同极端浸润特性。除了详细的制备方法外，文中还举例说明了这些飞秒激光制备的超浸润表面的丰富应用。独特的表面浸润性使飞秒激光功能化材料在防液体、自清洁、防结冰/雾/雪、防污、油/水分离、防腐、减阻、水雾收集、液滴操纵、液体图案化、微流体、实验室芯片、细胞工程、浮力增强等方面有重要的应用。
图3 飞秒激光制备的超疏水表面。
超短脉冲宽度和超高能量密度的特点使得飞秒激光成为了一种调控固体材料浸润性的有效工具。相比于传统方法，飞秒激光微纳制造技术在实现超浸润性方面拥有许多优势。第一，飞秒激光可以作用广泛的材料，不依赖于特殊的基底。第二，这种技术具有很强的灵活性。激光烧蚀位置可以通过程序精确控制。无需昂贵的掩膜版，可以制备各种各样的图案化结构，从而可以实现表面浸润性的复杂设计和调控。第三，飞秒激光处理过程非常简单。通过一步烧蚀，可以直接在材料表面形成微纳米复合结构。相同的激光处理过程可以延伸至处理其它种类材料。第四，所形成微结构的形貌可以通过改变激光参数（如激光能量、脉冲宽度、重复频率、偏振等）、加工参数（如聚焦透镜焦距、扫描速度、扫描间隔等）和加工方式来调节。可调形貌的特点使得激光结构化表面的浸润性易于调控。第五，激光处理是一种物理和机械的制备方法，不依赖于有毒的试剂、化学反应和危险的操作。这些优势使飞秒激光在制备多功能超浸润性表面方面取得了巨大的成功。
图4 飞秒激光制备的超浸润材料的一些应用。
–纤维素–
–帮测科技–
参考文献：
J.Yong, Q. Yang, X. Hou, F. Chen*, Nature-Inspired Superwettability Achieved byFemtosecond Lasers.Ultrafast Science, 2022, 2022, 9895418.
文章链接：
https://spj.sciencemag.org/journals/ultrafastscience/2022/9895418/
来源：高分子科学前沿
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