固、液、氣是物質(zhì)的三種基本形態(tài)。每一種形態(tài)往往會與其它形態(tài)彼此接觸在一起，形成不同類型的固/液/氣界面。在固/液/氣界面處的極端潤濕性有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如防水防油、自清潔涂層、油水分離、抗腐蝕、防霧防結(jié)冰、水霧收集、微液滴操作、微流體、芯片實驗室、水下減阻、細(xì)胞工程等等。

    近日，陳烽教授領(lǐng)西安交通大學(xué)導(dǎo)的飛秒激光仿生微納制造團(tuán)隊在飛秒激光制備的PDMS微納多級表面結(jié)構(gòu)上獲得了六種極端潤濕特性，包括超疏水、超親水、水下超疏油、水下超親油、水下超疏氣、和水下超親氣性。該團(tuán)隊進(jìn)一步提出了一種簡單、無需掩膜板直接構(gòu)建潤濕性相異復(fù)合圖案結(jié)構(gòu)的方法。該工作的第一完成人為青年講師雍佳樂博士。

    ▲ 圖：飛秒激光燒蝕后的PDMS表面微結(jié)構(gòu)。

    飛秒激光燒蝕可以一步直接在PDMS表面上構(gòu)建一種微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。所形成粗糙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了PDMS樣品的疏水性，使激光燒蝕后的樣品擁有超疏水和極低水粘滯性。當(dāng)將該樣品浸入水下后，激光燒蝕區(qū)域有明顯的反光現(xiàn)象，也稱為“銀鏡效應(yīng)”。這說明在激光誘導(dǎo)的微納結(jié)構(gòu)周圍附著了一層空氣層。當(dāng)將油滴或氣泡滴落在該水下樣品上時，油滴或氣泡會很快沿著該空氣層鋪散開。這個過程由壓力和毛細(xì)作用驅(qū)動完成。最終使得樣品顯示水下超親油性和水下超親氣性。

    ▲ 圖：飛秒激光燒蝕的PDMS表面顯示超疏水，水下超親油，以及水下超親氣性。再經(jīng)氧等離子體處理后顯示超親水，水下超疏油，以及水下超疏氣性。

    如果飛秒激光誘導(dǎo)的粗糙PDMS表面進(jìn)一步經(jīng)過短時間氧等離子體照射處理，在表面上會形成一層親水的硅烷醇基（–SiOH）。加之微納多級結(jié)構(gòu)的作用，使得該P(yáng)DMS表面的潤濕性在空氣中轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水性。當(dāng)將該樣品浸入水下時，水會完全潤濕激光作用區(qū)域并且填充在粗糙微納結(jié)構(gòu)之間，形成一層被俘水層。此時銀鏡反光完全消失。當(dāng)將油滴或氣泡滴落在該樣品表面上時，該微納結(jié)構(gòu)間的被俘水層可以抑制油滴/氣泡與PDMS表面的有效接觸。這主要由于極性的水分子常常排斥非極性的油分子，同時水相與氣相間也存在著排斥作用。最終使得油滴和氣泡在該P(yáng)DMS樣品上保持近似球形，達(dá)到內(nèi)能最小。當(dāng)將樣品稍微傾斜，油滴和氣泡會很容易滾走。此時，樣品表面顯示水下超疏油性和水下超疏氣性。

    ▲ 圖：超疏水PDMS表面在水下呈現(xiàn)超親油和超親氣性的形成機(jī)理，以及超親水PDMS表面在水下呈現(xiàn)超疏油和超疏氣性的形成機(jī)理。

    在同一個樣品上構(gòu)建潤濕性相反的不同區(qū)域有許多重要的應(yīng)用。飛秒激光最初燒蝕的PDMS表面具有超疏水性，水下超親油性和水下超親氣性。而進(jìn)一步經(jīng)氧等離子體處理后使其具有超親水性，水下超疏油和水下超疏氣性。這種潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯空邆兲峁┝艘环N構(gòu)建復(fù)合潤濕性圖案結(jié)構(gòu)的簡單方法。由于氧等離子體具有流動性，因而不能使用傳統(tǒng)的光學(xué)掩膜板來選擇性處理PDMS表面上不同的區(qū)域。作者聯(lián)想到白板筆在白板上書寫文字并且可以隨時擦去的過程，提出了一種在激光燒蝕后的PDMS表面上“繪制”超疏/親液（氣）復(fù)合圖案的方案。首先將不需氧等離子處理的區(qū)域用筆涂畫黑。然后將樣品進(jìn)行短時間氧等離子體處理。油性涂料阻隔了氧等離子體與其下面粗糙PDMS結(jié)構(gòu)的接觸，使得氧等離子體只能夠處理未繪涂區(qū)域。最后將樣品在丙酮溶液中清洗去除油墨，并且快速吹干。這樣，通過選擇性氧等離子體處理，可以在飛秒激光燒蝕后的PDMS表面上獲得超疏水-超親水，水下超疏油-超親油，水下超疏氣-超親氣復(fù)合圖案，同時集聚六種極端潤濕性。該方法可以任意構(gòu)建不同形狀的復(fù)合潤濕性圖案。

    ▲ 圖：在飛秒激光燒蝕的PDMS表面上通過選擇性氧等離子體處理獲得超疏水-超親水，水下超疏油-超親油，水下超疏氣-超親氣復(fù)合圖案結(jié)構(gòu)。

    氧等離子體處理后的PDMS表面在空氣中會逐漸恢復(fù)其最初的超疏水性。研究發(fā)現(xiàn)，將樣品儲存在去離子水下可以長時間保持其超親水性。另一方面，多次氧等離子體處理可使其“老化”，使該P(yáng)DMS表面更長久擁有超親水性。作者所所提出方法可以隨意設(shè)計不同復(fù)合潤濕性圖案結(jié)構(gòu)，并可潛在直接應(yīng)用于液滴/液體圖案化、表面微流體系統(tǒng)、細(xì)胞圖案化、液晶圖案化等實際應(yīng)用中。

    參考文獻(xiàn)：

    J. Yong, F. Chen*, M.Li, Q. Yang*, Y. Fang, J. Huo and X. Hou, Remarkably Simple Achievement of Superhydrophobicity,Superhydrophilicity, Underwater Superoleophobicity, Underwater Superoleophilicity,Underwater superaerophobicity, and Underwater Superaerophilicity on FemtosecondLaser Ablated PDMS Surfaces. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25249-25257.

    文章鏈接：

    http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c7ta07528f

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