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《进展》超快激光加工专题之内封面文章

已有 137 次阅读 2020-7-2 16:59 |系统分类:论文交流

陈烽:飞秒激光仿生制备类猪笼草超滑表面及其应用

《激光与光电子学进展》于6月份出版了“超快激光加工”专题。其中,西安交通大学陈烽教授团队发表的题为“飞秒激光仿生制备超滑表面及其应用”的综述文章被选为当期的内封面文章。

文中首先简要介绍了飞秒激光制备的超疏水表面和超疏油表面的研究成果和局限;随后,文章重点概述了飞秒激光防猪笼草制备超滑表面的性能、工艺特点,最后举例介绍了超滑表面的一些典型应用,探讨了飞秒激光制备超滑表面今后的发展趋势。

内封面文章|方瑶, 雍佳乐, 霍静岚, 杨青, 成扬, 梁婕, 陈烽. 飞秒激光仿生制备超滑表面及其应用[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(11): 111413

撰稿 | 方瑶,陈烽

一、研究背景

自然界中存在着众多特殊浸润性表面,例如自清洁的超疏水荷叶、在雨中自由飞行的蝴蝶翅膀、水下防污的超疏油鱼鳞、沙漠中收集水雾的甲壳虫外、在水面自由活动的水黾腿等。仿照自然界的特殊浸润性表面,研究人员设计并制备了多种特殊浸润性表面,如类荷叶的超疏水表面和类鱼鳞的水下超疏油表面,而飞秒激光微加工技术是调控材料表面润湿性的重要手段。

超疏水表面

材料表面的超疏水性源自表面粗糙结构和材料表面的低表面能,低表面能使得表面具有本征的普通疏水特性,微纳粗糙结构作为放大因子,能够在粗糙结构中捕获一层空气层,减小水和固体表面的实际接触面积,增强表面的疏水性从而获得超疏水特性。 因此,粗糙微纳结构的设计和制备,是实现特殊功能化超疏水表面的关键。通过飞秒激光微纳加工技术设计微纳结构能够在不同材料上实现包括粘滞性可调、各向异性、智能可调超疏水表面。

水下超疏油表面

水下超疏油性源自于水和油的天然相斥性。通常情况下空气中的超亲水表面在水下表现为水下超疏油。高表面能的材料在空气中为普通亲水性,飞秒激光在材料表面构建粗糙结构以后,材料呈现超亲水性,置于水下环境时,在粗糙结构中能够牢牢地捕获一层水层,从而赋予表面超强的水下超疏油特性。

图1 飞秒激光制备的超疏水[1]和水下超疏油表面[2]

但是由于超疏水表面和水之间的被俘空气层在高湿度、高压强、撞击等情形下的不稳定性,且超疏水表面对低表面能的有机溶液不具有超疏特性,超疏水表面的应用范围受到限制。而水下超疏油表面在空气环境中很容易被污染,水环境强烈限制了其应用范围。

因此如何设计开发能够实用于各种环境,并且能够同时抵抗高、低表面能及各种复合污染物的特殊浸润性表面成为近年来表面浸润性的重点研究问题,液体灌注多孔滑动表面(slippery liquid-infused porous surface, SLIPS,以下简称超滑表面)正在其中。

二、超滑表面性能

近年来,猪笼草能够“逆食物链”地捕食昆虫引起了研究人员的广泛关注。研究发现,猪笼草表面整齐地排列着数十微米宽的沟槽结构,每个沟槽结构中分布着方向性排列的,如图2所示,相互交叠的微腔结构使笼唇处始终处于润湿状态,润湿的笼唇对于昆虫十分光滑,因此昆虫会不自主的滑落浸入猪笼中的消化液进而被消化吸收。

图2 猪笼草捕笼光学照片及笼唇电镜图[3]

受猪笼草笼唇的超滑特性启发,研究人员制备了仿猪笼草液体灌注的多孔滑动表面。超滑表面的形成关键在于表面多孔网状微纳结构能够在锁住液体润滑层的同时,赋予液体润滑层在多孔结构中流动的特点。

相较于超疏水表面的被俘空气层和水下超疏油表面的被俘水层,超滑表面丰富的多孔结构牢固地锁住了润滑油层,赋予了超滑表面无论是空气环境、还是水下环境优异的斥液性。表面润滑层的注入赋予了多孔结构表面超高的平整度,使得无论是高表面能水滴、低表面能油滴(十六烷等)、水下气泡都能够轻易地在倾斜10°的超滑表面上滑动,毫无粘附,如图3所示。

图3 超滑表面抗水滴、十六烷、水下气泡粘附[4,5]

对于表面粗糙结构的物理损伤,通常会造成超疏水表面和水下超疏油表面的性能失效,但超滑表面却具有优异的自修复性能。这是由于飞秒激光制备的超滑表面中物理损伤造成的结构破坏可以在短时间内被流动的润滑液填充,恢复表面的平滑液体润滑层,从而恢复优异的超滑特性,如图4所示。

图4 超滑表面的自修复性[6]

三、飞秒激光制备超滑表面工艺

飞秒激光制备超滑表面工艺流程如图5所示:

1、利用飞秒激光烧蚀基板材料,构建多孔网状粗糙微纳米结构层;

2、通过低表面能氟化处理,赋予多孔结构层表面一定的疏水性;

3、利用重力和毛细作用,将润滑油注入多孔结构层,并去除多余润滑油。

与其他制备方法相比,飞秒激光制备是直接在基板材料表面通过激光烧蚀构建的多孔结构层,其多孔结构层和基板属于同种材料,具有相同的物理化学性质。因此飞秒激光制备的超滑表面在材料统一性、机械、热力学稳定性方面更具优势。

图5 飞秒激光制备超滑表面的工艺流程[4]

四、超滑表面的主要应用

超滑表面利用光滑的液体润滑层,能够对不同表面张力的液体、不同粘度和化学组成的复合液体、甚至是动植物保持超滑特性。因此,超滑表面能够广泛应用于不同的领域,例如防海洋生物吸附、防冰冻、抑制细胞分裂等等,为解决能源、环境、生物等问题提供新的解决方案。

防生物吸附

海洋生物体对船舶及海上器械的吸附会造成耗能增加、器械损坏等问题,定期的清理会造成人力物力的极大浪费、二次污染等问题。

研究表明,超滑表面具有极佳的抗海洋生物吸附能力,是解决海洋生物吸附的有效可选方案。如图6所示,将超滑PDMS表面、商用防污涂层IS900表面、普通PDMS表面放置在斯基尤特海港中,进行对比实验,各表面上生物的粘附生长情况。可以看出超滑表面较其他表面,抗生物吸附能力极强。

图6超滑表面抗生物吸附[7]

防冰冻

结冰会对输电线路、航天运输、风力涡轮、冷却系统等造成大量破坏,造成重大经济损失和安全隐患。

虽然超疏水表面被证实是一种较好的防冰冻材料,但是在高湿度低温情况下,会结露结霜而造成防结冰特性失效。超滑表面具有较好的防霜防冰特性,并且能够较大程度地降低冰粘附强度,如图7所示。

图7 普通Al和超滑Al表面的结冰和除冰效果对比[8]

抑制细胞分裂

细胞分裂和生长是生命得以产生和延续的基础,但同时也是某些疾病存在和恶化的来源。

研究表明,超滑表面对细胞、菌类等生长具有强烈的抑制作用。图8为在光滑PET表面、飞秒激光烧蚀后的粗糙PET表面、飞秒激光制备的超滑PET表面培养C6细胞48小时后的荧光显微图。可以看到,超滑PET表面只存在极少的细胞生长,仅为光滑PET表面的1.6%,粗糙PET表面的0.6%。这是由于,超滑PET表面的超平滑液体润滑层能够有效阻碍细胞和基底之间的机械接触,从而抑制细胞的分裂生长。因此,超滑表面有望应用于植入医疗材料领域。

图8 不同表面上细胞生长情况对比.(a)光滑PET表面与超滑PET表面;(b)光滑PET表面和粗糙PET表面;(c)三种表面生长细胞数[4]

五、总结与展望

超滑表面较超疏水表面和水下超疏油表面具有更加优异的抗污性能和稳定性,具有更广阔的应用前景。

但是飞秒激光制备超滑表面的研究还处于初始阶段,仍然有很多问题和研究方向需要被不断推进, 例如研究激光在不同材料表面制备多孔结构的理论基础、增强表面润滑油的耐久性、设计开发智能可调超滑表面、提高加工效率、拓展开发独有的应用领域等。

结合飞秒激光微加工材料普适性、加工精度高、可控性极强的特点,随着相关研究的不断深入及超快激光技术的不断进步,飞秒激光制备超滑表面技术在能源、环境、生物、材料和工程领域将有着重要的应用前景。


主要参考文献:

[1]    Vorobyev A Y, Guo C. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses [J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(3): 033103.
[2]    Yong J, Chen F, Yang Q, et al. Bioinspired underwater superoleophobic surface with ultralow oil-adhesion achieved by femtosecond laser microfabrication [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(23): 8790.
[3]    Chen H, Zhang P, Zhang L, et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata [J]. Nature, 2016, 532(7597): 85-89.
[4]    Yong J, Huo J, Yang Q, et al. Femtosecond laser direct writing of porous network microstructures for fabricating super-slippery surfaces with excellent liquid repellence and anti-cell proliferation [J]. Advanced Materials Interfaces, 2018, 5(7): 1701479.
[5]    Jiao Y, Lv X, Zhang Y, et al. Pitcher plant-bioinspired bubble slippery surface fabricated by femtosecond laser for buoyancy-driven bubble self-transport and efficient gas capture [J]. Nanoscale, 2019, 11(3): 1370-1378.
[6]    Yong J, Chen F, Yang Q, et al. Nepenthes inspired design of self-repairing omniphobic slippery liquid infused porous surface (SLIPS) by femtosecond laser direct writing [J]. Advanced Materials Interfaces, 2017, 1700552.
[7]    Amini S, Kolle S, Petrone L, et al. Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials [J]. Science, 2017, 357(6352): 668-673.
[8]    Kim P, Wong T S, Alvarenga J, et al. Liquid-infused nanostructured surfaces with extreme anti-ice and anti-frost performance [J]. ACS Nano, 2012, 6(8): 6569-6577.




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