形狀記憶聚合物（Shape memory polymer, SMP）是一類在外界刺激條件下能夠在原始形狀和臨時形狀之間相互轉化的聚合物材料。由于其優(yōu)異的形狀記憶特性，SMP在柔性電子、生物醫(yī)學、紡織工業(yè)、航天航空等領域有著廣泛的應用前景。通過設計合適的表面微納結構，SMP材料也被用來實現可調超疏水性。SMP表面微結構在形變與恢復狀態(tài)間的變化會引起材料表面潤濕性的可逆轉變。

飛秒激光具有超短脈沖寬度和極高峰值功率密度的特點。這些特點使得飛秒激光能夠作用幾乎所有給定的材料，并且可以通過一步直寫加工在這些材料表面上直接構建出各種微納結構。

近日，西安交通大學陳烽教授領導的飛秒激光仿生微納制造團隊基于飛秒激光直寫技術在熱響應型SMP表面上構筑出微柱型陣列結構。所制備微結構顯示優(yōu)異的超疏水性。當在外力的作用下，微柱陣列結構發(fā)生傾斜變形后，表面的超疏水性會發(fā)生下降，對水滴的粘滯性增大。經簡單加熱處理，SMP的形狀記憶特性會使得傾斜的微柱能夠恢復到原始的豎立狀態(tài)。表面潤濕性也恢復到最初的極低粘滯性超疏水狀態(tài)。通過多次反復的碾壓-加熱處理，表面微結構及潤濕性能夠重復可逆地被調制。（Chem.Eng. J., 2020, 383: 123143.）

圖：飛秒激光直寫技術在SMP上構建超疏水3D微結構的過程。

圖：碾壓-加熱處理使微柱陣列在傾斜與豎直狀態(tài)間可逆轉變，實現可調超疏水性。

 圖：反復碾壓-加熱處理過程中SMP分子鏈結構的變化。

作者采用飛秒激光進一步在SMP表面上構筑了微溝槽結構，獲得了類似于水稻葉表面的各向異性超疏水性。所制備微溝槽陣列結構不但具有可調的超疏水性，還兼具各向異性潤濕性。在初始的SMP溝槽表面上，水滴只能接觸到溝槽結構的頂端，展現出低粘滯的超疏水特性。各向異性潤濕性使得水滴更傾向于沿著激光構建的微溝槽方向滾動。當碾壓處理使得微溝槽結構傾斜向一邊后，此時水滴與表面之間的接觸面積增大，使該表面轉變?yōu)楦哒硿某杷疇顟B(tài)。水滴會緊緊粘附在樣品表面上而不會滾離。加熱處理后，表面微溝槽結構重新恢復到豎立狀態(tài)，表面潤濕性也恢復到原始的低粘滯超疏水性。（Chem. Eng. J.,2020, 400: 125930.）

圖：各向異性SMP微溝槽表面形貌及潤濕性的可逆轉變。

粘滯可調的超疏水性以及各向異性使得飛秒激光構建的SMP微納結構成為一種能夠實現多種液滴操控方式的多功能平臺。基于所制備的SMP微柱陣列和微溝槽陣列圖案結構，液滴定向輸運、定向自清潔、液滴圖案化、液滴微化學反應器、氣體傳感器等功能相繼被實現。通過連續(xù)地“擦”（豎直）和“寫”（傾斜）SMP微結構圖案，這些功能能夠在同一個SMP表面上實現。另外，研究表明飛秒激光可以作用不同種類的SMP材料，并且能夠在各種SMP上設計制備多種多樣的3D微結構和微圖案，從而可以實現更為豐富的表面潤濕性智能調控。

圖：SMP微溝槽陣列圖案結構實現液滴圖案化、液滴微化學反應器、氣體傳感器等功能。

圖：采用可調粘滯性和各向異性潤濕實現不同液滴的定向融合與微反應。

圖：飛秒激光在SMP表面構筑的不同3D微結構形貌。

相關研究成果分別以“Superhydrophobicity-memorysurfaces prepared by a femtosecond laser”和“Anisotropic,adhesion-switchable, and thermal-responsive superhydrophobicity on thefemtosecond laser-structured shape-memory polymer for droplet manipulation”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊上。西安交通大學電信學部白雪博士為該論文第一作者，西安交通大學雍佳樂副教授和陳烽教授為通訊作者。