仿生超滑表面的飞秒激光微纳制造及应用

以下文章来源于光电期刊，作者编辑部，江苏激光联盟陈长军转载

封面文章 | 杨青，成扬，方政，等. 仿生超滑表面的飞秒激光微纳制造及应用[J]. 光电工程，2022，49(1): 210326.

论文第一作者：杨青副教授；通信作者：陈烽教授

概述

固、液、气是物质存在的三种基本形态。固体表面的润湿性，即固/液界面的相互作用，对于自然界中动植物的生存以及我们日常生活都有着非常重要的意义。而其中具有特殊润湿性的表面格外引人注目。大自然是科学家和工程师最好的老师，激发出了无数设计新材料和发展新技术的灵感。经过数十亿年的进化，自然界中生物拥有了近乎完美的结构和功能。其中，许多生物体展现出独特的表面润湿性，如荷叶具有自清洁功能，水黾能够在水面上行走，蝴蝶可以在雨中飞行，蚊子眼的防雾功能，草鱼在水下不粘附油污，沙漠甲虫具有收集水雾，猪笼草可以捕获昆虫为自身提供营养的能力等。

研究表明，材料表面的润湿性要由固体表面的化学分子组成和微观几何形貌共同决定。针对材料表面润湿性的研究成为了当前的一个研究热点，受自然界中动植物启发，许多具有特殊润湿性的人工材料和器件被制备出来。这些特殊润湿性表面有很多非常重要的应用领域，如大型室外建筑物抗污染，海洋油污染生态灾难的紧急处理，防止输油管线内淤塞，潜艇表面防腐、减阻减噪，微流体系统，调节干细胞分化等。

近年来，受到猪笼草特殊浸润性的启发，一种液体灌注的多孔超滑表面被提出，其广泛的疏液性、超强的稳定性使其在生物抗凝、减阻、生物微量检测等领域具有巨大的潜力。

关键进展

近日，西安交通大学陈烽教授课题组从仿生制造的角度出发，以飞秒激光微加工技术为手段，从超滑表面的飞秒激光微纳制备和应用两个方面进行了综述。仿生超滑表面由于能抗各种液体甚至动植物黏附，并具有优异的稳定性和自修复性，因而具有非常重要的研究价值和广泛的应用前景。飞秒激光微加工技术具有材料普适性强、加工精度高、可控性强等特点，在制备和调控特殊浸润性表面方面具有非常突出的优势。

2011年，Wong等人[1]首次报道了仿猪笼草的液体灌注多孔超滑表面，通过在材料表面构建一层多孔网状结构，注入润滑液，润滑液会存储在多孔网状结构内部，并在表面形成一层润滑层，最终通过这层润滑层来提升材料的疏液性。图1为猪笼草表面结构及其超滑性能。

图1 猪笼草表面结构及其超滑性能。（a）猪笼草的光学照片；（b）猪笼草的微观形貌；（c）放猪笼草超滑表面的制备流程；（d）正十六烷在超滑表面的滑动性能

2017年，Yong等人[2]率先利用飞秒激光直写技术在聚酰胺（PA6）表面制备出超滑表面，如图2所示，激光扫描过后的PA6表面分布着厚度约为10 µm、直径1 µm的三维网状多孔结构。在激光烧蚀过程中，多光子的非线性吸收使得表面瞬时产生高温高压的等离子体，与此同时产生的大量气体会不断溢出，熔融物在气体溢出时重新固化，生成三维网状多孔结构。经过后续的氟化处理以及硅油灌注，形成的超滑表面不仅对低表面张力的十六烷（表面张力 = 27.5 mN/m）具有疏液性，还对各种混合液如咖啡牛奶、蛋黄等具有良好的疏液特性。该方法不仅可应用于PA6，还同样可应用于PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称亚克力）、PA（聚酰胺，俗称尼龙）等高分子材料。

图2 飞秒激光在PA6表面制备出的超滑表面及其疏液性测试

2020年，Cheng等人[3]通过对飞秒激光进行时间整形和空间整形，在空气环境中利用飞秒激光在金属镍钛合金表面制备出仿生超滑表面（图3）。在时间域上通过外触发脉冲波选频的方式，实现一定频率的脉冲串输出，在空间域上利用锥透镜将飞秒激光光场从高斯分布转换为贝塞尔分布，最终在空气环境下直接在镍钛合金表面构建出具有高深径比的微纳多孔结构。随后通过空气放置来吸收空气中的烃基实现自身的低表面能化，进一步的医用级全氟萘烷灌注实现了镍钛合金超滑表面的制备。这种超滑表面的制备不仅效率高，可以实现大面积样品加工，而且没有使用化学处理，真正做到安全环保。

图3 飞秒贝塞尔光在镍钛合金上的超滑表面制备。（a）飞秒贝塞尔光的微加工系统；贝塞尔光在镍钛合金表面加工的（b）仿真结果和（c），（d）实际形貌；（e）镍钛合金超滑表面的制备过程；（f）水滴在镍钛合金超滑表面上的滑动性能

总结与展望

仿猪笼草的超滑表面由于其优异的疏液性、稳定性与自修复性，具有广阔的应用前景。而飞秒激光作为一种新型微纳加工技术，因其对加工材料的普适性、高精度、高可控性等优势逐渐吸引着人们的目光。飞秒激光成为在各种材料上制备仿生超滑表面的强有力工具。该综述以猪笼草超滑表面为背景，飞秒激光微加工技术为手段，从仿生超滑表面的制备和应用两个方面进行了发展现状的总结。针对不同材料，通过对飞秒激光进行不同形式的整形，辅助以其他手段，实现了飞秒激光在聚合物、硬脆透明材料与金属表面的仿生超滑表面制备。针对不同的结构与润滑油性能，概述了超滑表面在液滴操控、生物抗凝、防污、以及防腐等领域的应用。

虽然有关超滑表面飞秒激光微纳制备的研究很多，人们也在逐渐扩展仿生超滑表面的制备和应用，但是仍然存在很多问题：

1）超滑表面的自修复性来源于液体在三维多孔网络中的流动性。对于现有的金属超滑表面研究，均没有实现三维多孔结构的互通，在受到外部损伤以后，无法实现良好的自修复。所以真正仿猪笼草的三维多孔网状结构依然没有在金属表面实现，这也是研究团队今后研究的努力方向之一。

2）液态润滑层在疏液过程中会不可避免的与被排斥液体接触，所以针对昂贵的液滴检测与操控，存在样本受到污染的风险。因此，如何在保持超滑特性的基础上，降低对所接触样本的污染也是未来研究的一个重要方向。

3）超滑表面的所有优良特性都基于表面润滑层的稳定存在，润滑液一旦发生流失，所有的功能都将不复存在。因此如何提升超滑表面的使用寿命是一个很重要的研究方向。

4）现有关于超滑表面的研究大都用到氟化物。氟化物的使用不仅会对安全性造成影响，而且也不符合绿色可持续发展的理念。

所以寻求一种安全、稳定的润滑液也显得尤为重要与迫切。综上所述，寻求一种方法以获得具有长期稳定性、高安全性的仿生超滑表面将对微量检测、生物抗凝、减阻、海洋减阻，防污防腐等领域的发展具有重要意义。

该综述以“仿生超滑表面的飞秒激光微纳制造及应用”为题作为封面文章发表在《光电工程》2022年的第1期。该研究受到国家自然科学基金（62175195，61875158）、国家重点研发计划（2017YFB1104700）以及中央高校基本科研业务费资助。

参考文献

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.

研究团队简介

超快光子实验室（Ultrafast PhotonicLaboratory）负责人为西安交通大学电信学院陈烽教授。UPL实验室主要聚焦超快光学国际学术前沿，开拓激光制造与超快成像共性技术。探索飞秒激光微纳制造在三维光子集成、仿生智能表面结构、微光学、微流控、微纳电磁控制与感应、微纳米光机电系统等领域的应用；发展基于飞秒（10-15秒）激光的微纳米结构与器件制备的新原理和新方法；在分子尺度上研究飞秒激光与材料相互作用超快动力学与先进超快成像技术。并在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett.等学术期刊上发表论文300余篇，ESI高被引论文9篇，H因子38，SCI被引5000余次。研究成果入选“2019中国光学十大进展”、“2015中国光学重要成果”，获得2013年国家教育部自然科学二等奖等。申请及获得国家发明专利47项。获得国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学仪器开发专项、国家863计划、中国科学院创新方向性项目、中科院重点项目、中国科学院创新工程项目、陕西省重点科研项目等国家及省部级科研项目等项目的资助。