发表时间：2024-03-14 10:00:08 │ 点击数：
九游会官网 J9平台九游会官网 J9平台。文章系统总结了飞秒激光微加工技术在调控材料表面浸润性方面的研究进展，并讨论了飞秒激光调控材料表面浸润性技术的突出优势以及当前所面临的挑战。
封面 雍佳乐, 吴东. 飞秒激光仿生调控材料表面浸润性：当前进展与挑战（特邀）[J].中国激光, 2024, 51(1): 0102002.
荷叶出淤泥而不染，具有优异的防水性能。师法自然，具有特殊浸润性尤其极端浸润性的表面，在众多应用领域中都发挥着重要作用。材料表面的浸润性主要由其化学组成和微观表面形貌共同决定。飞秒激光是现代极端制造和超精密制造领域的重要工具之一，本封面呈现了利用飞秒激光对材料表面微纳结构进行设计和改性，可赋予材料表面超疏水等一系列极端浸润性质，进而拓宽了飞秒激光结构化材料的应用范围。
浸润性是固体表面基本的物理化学性质之一。自然界中许多动植物都进化出了特殊的浸润性表面以适应所处的复杂生存环境，例如荷叶具有自清洁功能、水黾能够在水面上跳跃、蚊子眼能够在潮湿环境中防雾、昆虫会滑落进猪笼草口袋中等（图1）。研究发现，固体材料表面的浸润性主要由其化学组成和微观几何形貌共同决定。具有特殊浸润性的表面在能源利用、化工制造、医疗健康、军事国防等应用领域发挥着重要作用，因此特殊浸润性尤其是极端浸润性（也即超浸润性“superwettability”） 成为了当前微纳制造领域的热点研究方向之一。
目前，多种微纳制造技术已经被用来实现极端浸润性材料的制备，如机械加工法、光刻法、化学刻蚀、模板复制法等，所制备的超浸润材料也获得了广泛的应用。然而，这些微纳制造技术在制备超浸润表面方面仍受到了一些技术上的限制，如制备步骤复杂、局限于特定的基底材料、缺乏灵活性等，极大地限制了所制备超浸润表面的实际应用需求。发展一种通用的微纳制造技术以实现各种超浸润材料的高效制备和浸润性的复杂调控仍是一个巨大的挑战。
飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率等特点，是现代极端制造和超精密制造领域的重要工具之一。飞秒激光微加工技术具有热效应低、空间分辨率高、非接触加工等优点。特别地，飞秒激光可以作用任意给定的材料，在材料表面直接制备出不同类型的微米/纳米多级结构，且激光焦点的位置可以被加工程序精确控制，因而飞秒激光也擅长于微纳结构的精细设计与调控（图2）。利用飞秒激光在材料表面构建特殊的微尺度、纳尺度结构，可获得各种各样的超浸润特性。
基于飞秒激光对材料表面微纳结构的精细设计，可以实现一系列特殊的极端浸润性：（1）超亲水性。在本征亲水材料表面上构建足够粗糙的微纳结构，进而实现超亲水性。（2）超疏水性。对于本征疏水材料，可以直接在材料表面上构建合适的微纳米多级结构；而对于本征亲水材料，通过飞秒激光构建微纳结构后，通常需要进一步结合化学修饰的方法降低表面能。水滴在超亲水表面上能够快速铺散开；相反，超疏水表面具有排斥水、防水的功能（图3）。
超疏油表面分为在空气中工作的和在水下工作的两类不同情形。制备空气里的超疏油表面需要引入内角弯曲微结构，并结合严苛的低表面能化学修饰（图4）。实现水下超疏油性则需要在亲水基底表面上构建合适微纳结构。超疏油表面能够排斥油脂类液体以及一些低表面能的有机液体。
一般地，超亲水表面在水下具有超疏气的性质，而超疏水表面在水下具有超亲气性。水下超疏气表面能够排斥气泡的粘附，而超亲气表面则可以吸附水下的微小气泡（图5）。利用水下超疏气和水下超亲气多孔材料可以实现对液体中微小气泡的收集或去除功能。
基于飞秒激光诱导的多孔网络微结构制备的超滑表面使液滴与表面的接触处于液/液接触模式，能够排斥各类液体（图6）。任何液体在超滑表面上滑下，都不会留下印记。超滑表面具有优异的稳定性和自修复特性。在可植入材料的表面制备超滑结构，可显著改善植入材料的血液相容性。
在亲水材料表面上构建微纳结构可以获得水下超疏聚合物性，该聚合物排斥性可用于抑制液体聚合物与固体材料的粘附以及聚合物形状的设计。不论超疏水性还是超亲水性，飞秒激光诱导的微纳结构都具有超疏液态金属性，进而确保液态金属不会粘黏在结构化表面上。通过飞秒激光在柔性材料表面上设计图案化微结构，可以将液态金属印刷成图案化电路，实现柔性电子器件的制备。基于飞秒激光对表面微纳结构的设计，可获得可调粘滞性超浸润表面。所制备表面对液滴的粘附性可以从极低变化到极高。在飞秒激光制备的各向异性微结构上，可以实现各向异性浸润性。通过表面化学调谐、表面微形貌调谐和所处环境调谐三种策略，可以实现激光结构化表面上浸润性的智能可逆转换，也即智能可调浸润性。
基于飞秒激光对材料表面微纳结构进行设计和改性，可实现超亲水与超疏水性、超疏油性、水下超亲气与超疏气性、液体灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、九游会 J9官方网站超疏液态金属性、可调粘滞性、各向异性浸润性、智能可调浸润性等一系列极端浸润性质。这些特殊的浸润性使得飞秒激光作用后的材料在防水/防油/防气、自清洁、液滴操控、液体图案化、浮力增强、微小液滴/气泡释放、油水分离、水/气分离、防结冰、防腐蚀、水下减阻、水雾收集、微流控、柔性电路/电子器件、细胞工程、生物医疗、海水淡化、表面增强拉曼散射等方面获得了广泛应用。
（1）飞秒激光可以加工几乎任意给定的材料。该特点使得飞秒激光调控材料表面浸润性技术不会局限于特定材料，能够赋予广泛的材料以特殊的浸润性能。
（2）飞秒激光加工过程相对比较简单，通常经一步烧蚀可直接形成多级微纳结构。相同的加工参数和加工条件可以很容易延伸到加工其它同类材料。
（3）飞秒激光加工方法灵活性比较强。一方面，所制备微纳结构的形貌可以通过加工参数的调整而简单改变。另一方面，飞秒激光可精确控制加工位置，具有设计微纳图案化结构的强大能力。图案化的超浸润结构可以实现很多均匀微纳结构表面无法实现的性质和功能。灵活性强的特点使得飞秒激光可以实现浸润性的复杂精细调控。
（1）加工效率目前依然是制约飞秒激光微加工技术应用的一大瓶颈。尽管有许多新的加工策略被提出，例如激光并行加工和结合光场调控的加工方法，但是加工效率依然无法满足工业化应用的需求。也就是说，在短时间内制备大面积的超浸润表面依然是个难题。
（2）受限于离焦的困扰，在复杂曲面上制备均匀的超浸润微纳结构目前也是个难题。聚焦激光烧蚀材料表面的过程中，如果激光焦点偏离材料表面过多的话（也即离焦），便无法在表面上获得想要的微纳结构。
（3）与其它方法制备的超浸润表面一样，飞秒激光实现的超浸润性在实际应用中也面临着稳定性的难题。这些超浸润表面在遭受摩擦或在特殊工作环境中容易失去最初的极端浸润性。因而，未来该研究领域需要重点解决这些瓶颈，使飞秒激光制备的超浸润材料大规模地应用于实际生活中。
在调控材料表面浸润性方面，飞秒激光微加工技术灵活性强和可加工任意给定材料的能力是其他微纳制造技术不可替代的。随着越来越多的超润湿表面被设计和制备，以及新的应用不断涌现，这一研究方向将具有广阔的前景。相信飞秒激光诱导的超浸润材料的大规模商业应用并不遥远。
中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东教授团队从事飞秒激光微纳加工新机制及关键技术研究，制备了用于光互连的三维微纳光子学器件、靶向药物治疗的微纳机器人，实现了在高端光电显示和集成芯片领域的工程应用。在Nat. Photonics（封面文章，入选中国光学十大进展）, Nat. Comm., Light: Sci & Appl.，PNAS(美国科学院院刊)等杂志发表论文150余篇。主持科技部重点研发计划、基金委杰出青年基金、重大仪器、重点项目等，获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）。
雍佳乐，中国科学技术大学副研究员。主要研究方向为飞秒激光仿生微纳制造、极端制造、精密制造。博士毕业论文《飞秒激光仿生调控材料表面润湿性》荣获“2018中国电子学会优秀博士学位论文奖”；飞秒激光制备透明水下抗油纳米界面的研究成果入选“2015中国光学重要成果”；飞秒激光直写水下气流控的研究成果入选“2023年度中国机械工程学会优秀论文”。受邀担任中国机械工程学会极端制造分会委员、《中国激光》青年编委、中国激光杂志社青年编委、期刊《IJEM》青年编委等。
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题子刊和“生物医学光子学”专题子刊。
《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。九游会 J9官方网站2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。
