以下文章來源于光電期刊 ，作者編輯部，江蘇激光聯(lián)盟陳長軍轉載

封面文章 | 楊青，成揚，方政，等. 仿生超滑表面的飛秒激光微納制造及應用[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、氣是物質存在的三種基本形態(tài)。固體表面的潤濕性，即固/液界面的相互作用，對于自然界中動植物的生存以及我們日常生活都有著非常重要的意義。而其中具有特殊潤濕性的表面格外引人注目。大自然是科學家和工程師最好的老師，激發(fā)出了無數(shù)設計新材料和發(fā)展新技術的靈感。經過數(shù)十億年的進化，自然界中生物擁有了近乎完美的結構和功能。其中，許多生物體展現(xiàn)出獨特的表面潤濕性，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，草魚在水下不粘附油污，沙漠甲蟲具有收集水霧，豬籠草可以捕獲昆蟲為自身提供營養(yǎng)的能力等。

研究表明，材料表面的潤濕性要由固體表面的化學分子組成和微觀幾何形貌共同決定。針對材料表面潤濕性的研究成為了當前的一個研究熱點，受自然界中動植物啟發(fā)，許多具有特殊潤濕性的人工材料和器件被制備出來。這些特殊潤濕性表面有很多非常重要的應用領域，如大型室外建筑物抗污染，海洋油污染生態(tài)災難的緊急處理，防止輸油管線內淤塞，潛艇表面防腐、減阻減噪，微流體系統(tǒng)，調節(jié)干細胞分化等。

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

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關鍵進展

近日，西安交通大學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為手段，從超滑表面的飛秒激光微納制備和應用兩個方面進行了綜述。仿生超滑表面由于能抗各種液體甚至動植物黏附，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和自修復性，因而具有非常重要的研究價值和廣泛的應用前景。飛秒激光微加工技術具有材料普適性強、加工精度高、可控性強等特點，在制備和調控特殊浸潤性表面方面具有非常突出的優(yōu)勢。

2011年，Wong等人[1]首次報道了仿豬籠草的液體灌注多孔超滑表面，通過在材料表面構建一層多孔網狀結構，注入潤滑液，潤滑液會存儲在多孔網狀結構內部，并在表面形成一層潤滑層，最終通過這層潤滑層來提升材料的疏液性。圖1為豬籠草表面結構及其超滑性能。

圖1 豬籠草表面結構及其超滑性能。（a）豬籠草的光學照片；（b）豬籠草的微觀形貌；（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性能

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

2020年，Cheng等人[3]通過對飛秒激光進行時間整形和空間整形，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）。在時間域上通過外觸發(fā)脈沖波選頻的方式，實現(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從高斯分布轉換為貝塞爾分布，最終在空氣環(huán)境下直接在鎳鈦合金表面構建出具有高深徑比的微納多孔結構。隨后通過空氣放置來吸收空氣中的烴基實現(xiàn)自身的低表面能化，進一步的醫(yī)用級全氟萘烷灌注實現(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，可以實現(xiàn)大面積樣品加工，而且沒有使用化學處理，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）仿真結果和（c），（d）實際形貌；（e）鎳鈦合金超滑表面的制備過程；（f）水滴在鎳鈦合金超滑表面上的滑動性能

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總結與展望

仿豬籠草的超滑表面由于其優(yōu)異的疏液性、穩(wěn)定性與自修復性，具有廣闊的應用前景。而飛秒激光作為一種新型微納加工技術，因其對加工材料的普適性、高精度、高可控性等優(yōu)勢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為手段，從仿生超滑表面的制備和應用兩個方面進行了發(fā)展現(xiàn)狀的總結。針對不同材料，通過對飛秒激光進行不同形式的整形，輔助以其他手段，實現(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。針對不同的結構與潤滑油性能，概述了超滑表面在液滴操控、生物抗凝、防污、以及防腐等領域的應用。

雖然有關超滑表面飛秒激光微納制備的研究很多，人們也在逐漸擴展仿生超滑表面的制備和應用，但是仍然存在很多問題：

1）超滑表面的自修復性來源于液體在三維多孔網絡中的流動性。對于現(xiàn)有的金屬超滑表面研究，均沒有實現(xiàn)三維多孔結構的互通，在受到外部損傷以后，無法實現(xiàn)良好的自修復。所以真正仿豬籠草的三維多孔網狀結構依然沒有在金屬表面實現(xiàn)，這也是研究團隊今后研究的努力方向之一。

2）液態(tài)潤滑層在疏液過程中會不可避免的與被排斥液體接觸，所以針對昂貴的液滴檢測與操控，存在樣本受到污染的風險。因此，如何在保持超滑特性的基礎上，降低對所接觸樣本的污染也是未來研究的一個重要方向。

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

4）現(xiàn)有關于超滑表面的研究大都用到氟化物。氟化物的使用不僅會對安全性造成影響，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期穩(wěn)定性、高安全性的仿生超滑表面將對微量檢測、生物抗凝、減阻、海洋減阻，防污防腐等領域的發(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。該研究受到國家自然科學基金（62175195，61875158）、國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1104700）以及中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助。

參考文獻

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.

研究團隊簡介

超快光子實驗室（Ultrafast PhotonicLaboratory）負責人為西安交通大學電信學院陳烽教授。UPL實驗室主要聚焦超快光學國際學術前沿，開拓激光制造與超快成像共性技術。探索飛秒激光微納制造在三維光子集成、仿生智能表面結構、微光學、微流控、微納電磁控制與感應、微納米光機電系統(tǒng)等領域的應用；發(fā)展基于飛秒（10-15秒）激光的微納米結構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力學與先進超快成像技術。并在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett.等學術期刊上發(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中國光學十大進展”、“2015中國光學重要成果”，獲得2013年國家教育部自然科學二等獎等。申請及獲得國家發(fā)明專利47項。獲得國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學儀器開發(fā)專項、國家863計劃、中國科學院創(chuàng)新方向性項目、中科院重點項目、中國科學院創(chuàng)新工程項目、陜西省重點科研項目等國家及省部級科研項目等項目的資助。

課題組成員

實驗室入口

實驗室一角

論文原文：

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