师法自然 | 飞秒激光精细雕琢超疏水表面【《光学学报》创刊40周年庆】


 

40周年约稿| 白雪; 陈烽; 飞秒激光仿生制备超疏水表面的研究进展[J].光学学报, 2021, 41(1):0114003.

微信阅读：

编者按

2021年是《光学学报》创刊40周年，编辑部特邀西安交通大学陈烽教授课题组撰写《飞秒激光仿生制备超疏水表面的研究进展》综述论文，文章对近些年来采用飞秒激光技术在构筑超疏水方面取得的进展及未来发展方向进行了总结和展望。

1、引言

超疏水表面在自清洁，油水分离，防污，防结冰，防腐蚀等领域均具有重要的应用前景。

超疏水表面（图片来自网络）

材料表面的超疏水性是由其表面的微纳粗糙结构以及低表面能物质共同决定的，目前采取的制备途径主要有喷涂法，溶胶凝胶法，自组装法，静电纺丝法，电化学刻蚀法，模板复制法，水热法等。

表面的微纳结构（图片来自网络）

但是上述方法在制备过程中均存在一些问题，如对基材具有选择性，制备步骤繁琐，使用化学溶剂等。开发一种简单通用的制备超疏水表面的方法对于实际应用具有重要的意义。

飞秒激光由于具有超短的脉冲宽度和超高的峰值功率，因此可以对现有的大多数固体材料，如半导体，金属，陶瓷，硅片，玻璃，聚合物，生物组织等进行加工。

飞秒激光加工（图片来自网络）

在整个激光加工过程中，其热效应小，加工精度高，能够通过无接触的加工方式直接在材料表面形成各种预先设计好的微纳结构图案。基于上述特点，采用飞秒激光在材料表面构筑微纳粗糙结构实现超疏水表面的制备在实际应用中具有重要的意义。

西安交通大学的陈烽教授课题组对近些年来采用飞秒激光技术在构筑超疏水方面取得的进展及未来发展方向进行了总结和展望。

2、关键技术进展

受荷叶表面的启发，人工超疏水表面的制备主要是从表面微纳粗糙结构的设计以及低表面能物质的修饰两方面进行入手。

由于飞秒激光能够通过一步剥离的方式在大多数的固体材料表面直接形成微纳粗糙结构，因此，对于本征疏水性的固体材料，经飞秒激光剥离后即可实现表面的超疏水性能，而对于本征亲水性的材料，经飞秒激光处理后，需要再次经过低表面能处理才能实现材料表面的超疏水性能。

基于上述特点，飞秒激光能对各种基材（如硅片，金属，聚合物，玻璃）进行加工，在其表面形成微纳粗糙结构，进而实现表面的超疏水性能，如图1所示。

图1 飞秒激光在不同材料表面构筑的微纳结构

利用材料表面的超疏水性能，所制备的表面在自清洁，防冰，油水分离，超痕量分子检测，液滴操控，微流控，浮力增强等领域均具有广泛的应用前景。

图2 基于飞秒激光制备的各种超疏水表面的应用

3、总结与展望

飞秒激光技术在超疏水表面的制备研究中已经取得了较大的进展，但该研究领域的进一步发展中以下问题仍然亟需解决：
      1) 飞秒激光微纳结构的加工过程比较耗时，提高其加工效率对于工业化应用具有重要的意义。
      2) 表面单一的超疏水功能已经不能满足实际应用的需求，赋予超疏水表面的多功能性或智能响应性能够有效扩宽其使用领域。如采用飞秒激光在智能材料表面构筑微结构，实现具有自修复性，热响应性，光响应性等功能的超疏水表面的制备。
      3) 基于飞秒激光制备透明超疏水表面的研究仍然很少被报道。通常飞秒激光剥离透明材料，如玻璃，聚合物等时，材料表面的透明度往往会由于表面粗糙度的增加而下降。
      4) 稳定性是目前限制超疏水表面在实际中广泛应用的一个主要问题。制备机械摩擦性能稳定，耐腐蚀，耐喷淋等的超疏水表面意义重大。

个人简介：

陈烽，西安交通大学二级教授，博士生导师，教育部微纳制造与测试技术国际合作联合实验室副主任。任教育部微纳制造与测试技术国际合作联合实验室副主任、陕西省光学学会理事/副秘书长、西安市激光红外学会副理事长、西安市机械工程学会微纳米制造分会常务理事，担任《光学学报》、《应用光学》、《激光制造商情》等期刊编委、“中国光学十大进展”评审委员会成员、“LMN中国激光行业贡献奖”评审委员会成员等。主要研究方向包括：飞秒激光微纳制造、激光仿生微纳制造、超快光子学和微纳光子学等。在上述领域开展了大量原创性研究，在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett., J. Mater. Chem. A, ACS AMI, Adv. Mater. Interface., Soft Matter, Langmuir, JPCC, Appl. Phys. Lett., Opt. Lett.等学术期刊上发表论文200余篇。