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以下文章來(lái)源于光電期刊 ，作者編輯部，江蘇激光聯(lián)盟陳長(zhǎng)軍轉(zhuǎn)載

封面文章 | 楊青，成揚(yáng)，方政，等. 仿生超滑表面的飛秒激光微納制造及應(yīng)用[J]. 光電工程，2022，49(1): 210326.

論文第一作者：楊青 副教授；通信作者：陳烽 教授

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概述

固、液、氣是物質(zhì)存在的三種基本形態(tài)。固體表面的潤(rùn)濕性，即固/液界面的相互作用，對(duì)于自然界中動(dòng)植物的生存以及我們?nèi)粘Ｉ疃加兄浅Ｖ匾囊饬x。而其中具有特殊潤(rùn)濕性的表面格外引人注目。大自然是科學(xué)家和工程師最好的老師，激發(fā)出了無(wú)數(shù)設(shè)計(jì)新材料和發(fā)展新技術(shù)的靈感。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化，自然界中生物擁有了近乎完美的結(jié)構(gòu)和功能。其中，許多生物體展現(xiàn)出獨(dú)特的表面潤(rùn)濕性，如荷葉具有自清潔功能，水黽能夠在水面上行走，蝴蝶可以在雨中飛行，蚊子眼的防霧功能，草魚(yú)在水下不粘附油污，沙漠甲蟲(chóng)具有收集水霧，豬籠草可以捕獲昆蟲(chóng)為自身提供營(yíng)養(yǎng)的能力等。

研究表明，材料表面的潤(rùn)濕性要由固體表面的化學(xué)分子組成和微觀(guān)幾何形貌共同決定。針對(duì)材料表面潤(rùn)濕性的研究成為了當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，受自然界中動(dòng)植物啟發(fā)，許多具有特殊潤(rùn)濕性的人工材料和器件被制備出來(lái)。這些特殊潤(rùn)濕性表面有很多非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，如大型室外建筑物抗污染，海洋油污染生態(tài)災(zāi)難的緊急處理，防止輸油管線(xiàn)內(nèi)淤塞，潛艇表面防腐、減阻減噪，微流體系統(tǒng)，調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化等。

近年來(lái)，受到豬籠草特殊浸潤(rùn)性的啟發(fā)，一種液體灌注的多孔超滑表面被提出，其廣泛的疏液性、超強(qiáng)的穩(wěn)定性使其在生物抗凝、減阻、生物微量檢測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的潛力。

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關(guān)鍵進(jìn)展

近日，西安交通大學(xué)陳烽教授課題組從仿生制造的角度出發(fā)，以飛秒激光微加工技術(shù)為手段，從超滑表面的飛秒激光微納制備和應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行了綜述。仿生超滑表面由于能抗各種液體甚至動(dòng)植物黏附，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和自修復(fù)性，因而具有非常重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。飛秒激光微加工技術(shù)具有材料普適性強(qiáng)、加工精度高、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，在制備和調(diào)控特殊浸潤(rùn)性表面方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。

2011年，Wong等人[1]首次報(bào)道了仿豬籠草的液體灌注多孔超滑表面，通過(guò)在材料表面構(gòu)建一層多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，注入潤(rùn)滑液，潤(rùn)滑液會(huì)存儲(chǔ)在多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并在表面形成一層潤(rùn)滑層，最終通過(guò)這層潤(rùn)滑層來(lái)提升材料的疏液性。圖1為豬籠草表面結(jié)構(gòu)及其超滑性能。

圖1 豬籠草表面結(jié)構(gòu)及其超滑性能。（a）豬籠草的光學(xué)照片；（b）豬籠草的微觀(guān)形貌；（c）放豬籠草超滑表面的制備流程；（d）正十六烷在超滑表面的滑動(dòng)性能

2017年，Yong等人[2]率先利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在聚酰胺（PA6）表面制備出超滑表面，如圖2所示，激光掃描過(guò)后的PA6表面分布著厚度約為10 μm、直徑1 μm的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。在激光燒蝕過(guò)程中，多光子的非線(xiàn)性吸收使得表面瞬時(shí)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，與此同時(shí)產(chǎn)生的大量氣體會(huì)不斷溢出，熔融物在氣體溢出時(shí)重新固化，生成三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)后續(xù)的氟化處理以及硅油灌注，形成的超滑表面不僅對(duì)低表面張力的十六烷（表面張力 = 27.5 mN/m）具有疏液性，還對(duì)各種混合液如咖啡牛奶、蛋黃等具有良好的疏液特性。該方法不僅可應(yīng)用于PA6，還同樣可應(yīng)用于PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱(chēng)亞克力）、PA（聚酰胺，俗稱(chēng)尼龍）等高分子材料。

圖2 飛秒激光在PA6表面制備出的超滑表面及其疏液性測(cè)試

2020年，Cheng等人[3]通過(guò)對(duì)飛秒激光進(jìn)行時(shí)間整形和空間整形，在空氣環(huán)境中利用飛秒激光在金屬鎳鈦合金表面制備出仿生超滑表面（圖3）。在時(shí)間域上通過(guò)外觸發(fā)脈沖波選頻的方式，實(shí)現(xiàn)一定頻率的脈沖串輸出，在空間域上利用錐透鏡將飛秒激光光場(chǎng)從高斯分布轉(zhuǎn)換為貝塞爾分布，最終在空氣環(huán)境下直接在鎳鈦合金表面構(gòu)建出具有高深徑比的微納多孔結(jié)構(gòu)。隨后通過(guò)空氣放置來(lái)吸收空氣中的烴基實(shí)現(xiàn)自身的低表面能化，進(jìn)一步的醫(yī)用級(jí)全氟萘烷灌注實(shí)現(xiàn)了鎳鈦合金超滑表面的制備。這種超滑表面的制備不僅效率高，可以實(shí)現(xiàn)大面積樣品加工，而且沒(méi)有使用化學(xué)處理，真正做到安全環(huán)保。

圖3 飛秒貝塞爾光在鎳鈦合金上的超滑表面制備。（a）飛秒貝塞爾光的微加工系統(tǒng)；貝塞爾光在鎳鈦合金表面加工的（b）仿真結(jié)果和（c），（d）實(shí)際形貌；（e）鎳鈦合金超滑表面的制備過(guò)程；（f）水滴在鎳鈦合金超滑表面上的滑動(dòng)性能

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總結(jié)與展望

仿豬籠草的超滑表面由于其優(yōu)異的疏液性、穩(wěn)定性與自修復(fù)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。而飛秒激光作為一種新型微納加工技術(shù)，因其對(duì)加工材料的普適性、高精度、高可控性等優(yōu)勢(shì)逐漸吸引著人們的目光。飛秒激光成為在各種材料上制備仿生超滑表面的強(qiáng)有力工具。該綜述以豬籠草超滑表面為背景，飛秒激光微加工技術(shù)為手段，從仿生超滑表面的制備和應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行了發(fā)展現(xiàn)狀的總結(jié)。針對(duì)不同材料，通過(guò)對(duì)飛秒激光進(jìn)行不同形式的整形，輔助以其他手段，實(shí)現(xiàn)了飛秒激光在聚合物、硬脆透明材料與金屬表面的仿生超滑表面制備。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑油性能，概述了超滑表面在液滴操控、生物抗凝、防污、以及防腐等領(lǐng)域的應(yīng)用。

雖然有關(guān)超滑表面飛秒激光微納制備的研究很多，人們也在逐漸擴(kuò)展仿生超滑表面的制備和應(yīng)用，但是仍然存在很多問(wèn)題：

1）超滑表面的自修復(fù)性來(lái)源于液體在三維多孔網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)性。對(duì)于現(xiàn)有的金屬超滑表面研究，均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三維多孔結(jié)構(gòu)的互通，在受到外部損傷以后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的自修復(fù)。所以真正仿豬籠草的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)依然沒(méi)有在金屬表面實(shí)現(xiàn)，這也是研究團(tuán)隊(duì)今后研究的努力方向之一。

2）液態(tài)潤(rùn)滑層在疏液過(guò)程中會(huì)不可避免的與被排斥液體接觸，所以針對(duì)昂貴的液滴檢測(cè)與操控，存在樣本受到污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在保持超滑特性的基礎(chǔ)上，降低對(duì)所接觸樣本的污染也是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

3）超滑表面的所有優(yōu)良特性都基于表面潤(rùn)滑層的穩(wěn)定存在，潤(rùn)滑液一旦發(fā)生流失，所有的功能都將不復(fù)存在。因此如何提升超滑表面的使用壽命是一個(gè)很重要的研究方向。

4）現(xiàn)有關(guān)于超滑表面的研究大都用到氟化物。氟化物的使用不僅會(huì)對(duì)安全性造成影響，而且也不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。

所以尋求一種安全、穩(wěn)定的潤(rùn)滑液也顯得尤為重要與迫切。綜上所述，尋求一種方法以獲得具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高安全性的仿生超滑表面將對(duì)微量檢測(cè)、生物抗凝、減阻、海洋減阻，防污防腐等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

該綜述以“仿生超滑表面的飛秒激光微納制造及應(yīng)用”為題作為封面文章發(fā)表在《光電工程》2022年的第1期。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（62175195，61875158）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB1104700）以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助。

參考文獻(xiàn)

1. Wong T S, Kang S H, Tang S K Y, et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity[J]. Nature, 2011, 477(7365): 443?447.

2. Yong J L, 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]. Adv Mater Interfaces, 2017, 4(20): 1700552.

3. Cheng Y, Yang Q, Lu Y, et al. A femtosecond bessel laser for preparing a nontoxic slippery liquid-infused porous surface (slips) for improving the hemocompatibility of NiTi alloys[J]. Biomater Sci, 2020, 8(23): 6505?6514.

研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

超快光子實(shí)驗(yàn)室（Ultrafast PhotonicLaboratory）負(fù)責(zé)人為西安交通大學(xué)電信學(xué)院陳烽教授。UPL實(shí)驗(yàn)室主要聚焦超快光學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，開(kāi)拓激光制造與超快成像共性技術(shù)。探索飛秒激光微納制造在三維光子集成、仿生智能表面結(jié)構(gòu)、微光學(xué)、微流控、微納電磁控制與感應(yīng)、微納米光機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用；發(fā)展基于飛秒（10-15秒）激光的微納米結(jié)構(gòu)與器件制備的新原理和新方法； 在分子尺度上研究飛秒激光與材料相互作用超快動(dòng)力學(xué)與先進(jìn)超快成像技術(shù)。并在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文300余篇，ESI高被引論文9篇，H因子38，SCI被引5000余次。研究成果入選“2019中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”、“2015中國(guó)光學(xué)重要成果”，獲得2013年國(guó)家教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)等。申請(qǐng)及獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利47項(xiàng)。獲得國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、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)項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家863計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新方向性項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目、陜西省重點(diǎn)科研項(xiàng)目等國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

課題組成員

實(shí)驗(yàn)室入口

實(shí)驗(yàn)室一角

論文原文：

楊青，成揚(yáng)，方政，等. 仿生超滑表面的飛秒激光微納制造及應(yīng)用[J]. 光電工程，2022，49(1): 210326.