特殊（極端）潤濕性表面材料擁有很多重要的應用領域，如防水防油、自清潔涂層、油水分離、抗腐蝕、防霧防結冰、水霧收集、微液滴操作、微流體、芯片實驗室、水下減阻、細胞工程等等。近年來，作為一種新的方法和技術，飛秒激光微加工被應用于表面科學領域來調控固體材料表面的潤濕性。超短脈沖寬度和極高峰值功率等特點使得飛秒激光在微加工方面具有許多獨特的優勢，例如燒蝕點附近小的熱影響區域、非接觸式加工、高的空間分辨率等。此外，理論上飛秒激光可加工絕大多數固態材料表面，包括半導體、金屬、聚合物、高硬脆玻璃材料、陶瓷、甚至生物材料等。這種技術可以在廣泛的材料表面上通過一步掃描的方法直接構造出微米/納米分級復合結構。由于材料表面的潤濕性不僅由表面化學組成決定，還受到表面微納形貌的極大影響，因而這些飛秒激光燒蝕后的表面常常展現出各種各樣獨特的潤濕性質。

    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在Wiley出版社期刊Advanced Materials Interfaces的連續兩期上發表三篇論文介紹了課題組近期的部分研究工作。其中，一篇文章被選為第5卷，第6期的前封面文章；另外兩篇分別被選為第5卷，第7期的前封面和底封面文章。

    （一）飛秒激光仿生制備三方向各向異性滾動超疏水表面

    大自然是最聰明的造物者，窺探自然的奧秘加以模仿是人類科技創新的有效路徑之一。水滴在水稻葉表面上更傾向于沿平行于葉脈的方向滾動，使得雨滴露滴容易集于水稻根莖部，提高了水稻在干熱氣候條件下的環境適應性。蝴蝶翅膀上的水滴只能沿遠離身體方向滾落，保證蝴蝶能在雨中飛行而不被打濕身體。雖然水稻葉與蝴蝶翅膀都具有各向異性滾動超疏水性，但水稻葉表現為二維各向異性（即液滴沿兩個相互垂直方向的滾落行為有明顯差異），而蝴蝶翅膀表現為一維各向異性（即液滴沿兩個相反方向的滾落行為有明顯差異）。研究發現，這些各向異性滾動特性均來自于生物體表面微米粗糙結構的方向性排布。仿生的真正意義在于模仿自然，并且逐漸超越自然。此前分別報道有模仿水稻葉或蝴蝶翅膀的仿生各向異性滾動超疏水表面，但超越自然地把二者特性加以結合的研究卻很少被報道。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第6期的前封面

    結合飛秒激光精確可控的微納加工優勢，通過選擇性激光直寫技術在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面制備了寬度、深度可控的周期性微溝槽陣列結構，并進一步在微溝槽中引入三維階梯狀結構。研究表明，周期性微溝槽結構表面顯示類似水稻葉的二維各向異性滾動超疏水性。水滴更容易沿著溝槽方向滾落下去，而沿著與溝槽垂直方向相對較難滾落。其各向異性可通過溝槽深度及寬度進行調節。當在微溝槽中引入三維階梯狀結構后，表面又額外多了類似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動，水滴更容易沿著下臺階方向滾落下去，而沿其相反方向較難。所制備微臺階陣列結構整體呈現出三向各向異性滾動超疏水性，也即兼具類似水稻葉的二維各向異性和類似蝴蝶翅膀的一維各向異性滾動性。水滴在樣品表面上沿三個不同方向具有三個不同大小的滾動角。此三向各向異性滾動表面能夠用于實現微液滴的定向無損移動以及相關表面微流體復雜智能操控。

圖：微溝槽陣列結構和微臺階陣列結構實現各向異性滾動

    該工作的通訊作者為陳烽教授和西安交通大學機械學院楊青副教授，團隊中在讀博士生方瑤為論文的第一作者。論文以前封面形式發表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第6期上。

    參考文獻：

    Y.Fang, J. L. Yong, F. Chen*, J. Huo, Q. Yang*, J. Zhang, X. Hou,Bioinspired Fabrication of Bi/Tridirectionlly Anisotropic SlidingSuperhydrophobic PDMS Surfaces by Femtosecond Laser. Adv. Mater. Interfaces,2018, 5, 1701245.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admi.201701245

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870024

    （二）飛秒激光仿豬籠草制備潤滑液灌注超滑表面

    你是否在電視節目或網絡中看到過豬籠草捕食的場景？豬籠草是一種食蟲植物。當一只昆蟲落在豬籠草葉邊緣上時，昆蟲很難能夠站穩，并且很容易從葉邊緣滑落到豬籠草的內底部。最終被底部的消化液分解掉并最終被豬籠草所吸收。與昆蟲類似，水滴或有機油滴同樣容易在豬籠草表面上自由滑落。研究發現，許多微米級口袋結構定向地分布在豬籠草唇表面上。這些微口袋中填充著一種中間液體（稱為潤滑液體），形成了一薄層連續的被俘液體層在豬籠草表面上。該被俘潤滑液層可以有效減弱豬籠草表面與昆蟲或液滴的粘黏作用，從而賦予豬籠草表面出色的抗液特性。這種超滑表面一般被稱為“液體灌注的多孔滑動表面（slippery liquid-infused porous surface （SLIPS））”。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期的前封面

    研究發現，飛秒激光一步直寫（femtosecond laser direct writing）的方法可以直接在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龍（PA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）、聚乳酸（PLA）等多種聚合物材料表面上形成一種3D多孔網絡微納結構。激光燒蝕后，大量的突出物和相互連通的微孔覆蓋在PET表面上。該多孔表面再經過降低表面能和灌注潤滑液體，便制備出了SLIPS。與豬籠草表面類似，所得超滑表面擁有極強的抗液性。各種各樣化學純的或復合液滴（如飲用水、十六烷、墨水、甘油、咖啡、可口可樂、牛奶、果汁、蛋清等）都可以在該樣品表面上很容易滑下去，而不會有任何黏著或殘留。即使經過100次彎折或摩擦，所制備表面依然保持出色的防液特性。此外，作者還發現原始飛秒激光燒蝕過的PET表面能夠顯著促進神經膠質瘤細胞的增殖，而超滑PET表面能夠完全抑制該類細胞的生長。

圖：飛秒激光制備超滑PET表面的過程

    該工作的通訊作者為陳烽教授和西安交通大學生命學院盧曉云教授，團隊中青年講師雍佳樂博士和在讀博士生霍靜嵐為論文共同第一作者。論文以前封面形式發表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期上。

    參考文獻：

    J. L. Yong＃， J. Huo＃， Q.Yang, F. Chen*, Y. Fang, X. Wu, L. Liu, X. Lu*, J. Zhang, X. Hou, FemtosecondLaser Direct Writing of Porous Network Microstructures for FabricatingSuper-Slippery Surfaces with Excellent Liquid Repellence and Anti-CellProliferation. Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1701479.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201701479

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870029

    （三）飛秒激光設計制備水下超疏油表面進展的邀請綜述

    飛秒激光微加工技術與水下超疏油性的碰撞產生了許多“絢麗的火花”。該邀請綜述系統總結了飛秒激光誘導水下超疏油表面的最新進展，主要包括材料、制備方法、性質、多種功能和重要應用等。文章開始介紹了構建水下超疏油表面的原則和飛秒激光微納加工的獨特之處作為背景知識。基于“從空氣中超親水性到水下超疏油性”的思路，通過簡單的飛秒激光燒蝕可在各種不同類型材料上實現水下超疏油性，如硅、玻璃、金屬、聚合物等材料表面。此外，飛秒激光誘導的水下超疏油表面也被賦予了一些其它的額外性質，如可控油粘滯性、水下各向異性油潤濕、透明性、穩定性等。這些多樣性質使得所加工表面擁有了許多種實際應用。目前飛秒激光構建水下超疏油表面技術依然處于初始發展階段，文章最后討論了該領域當前所面臨的一些挑戰并展望了該領域的未來前景。

圖：期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期的底封面

圖：飛秒激光制備的水下透明超疏油玻璃表面

    該文章的通訊作者為陳烽教授，團隊中青年講師雍佳樂博士為論文第一作者。論文以底封面形式發表在期刊Advanced Materials Interfaces第5卷，第7期上。

    參考文獻：

    J.L. Yong, F. Chen*, Q. Yang, Z. Jiang, X. Hou, A Review ofFemtosecond-Laser-Induced Underwater Superoleophobic Surfaces. Adv. Mater.Interfaces, 2018, 5, 1701370.

    文章鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201701370

    封面鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admi.201870033

    近年來，陳烽教授課題組以飛秒激光為手段，借助仿生的思路在各種材料表面上構建微納米精細結構以及微圖案，實現了一系列功能材料的表面微納結構設計和潤濕性調控，并初步探索出獲得超疏水（Langmuir 2011, 27, 359-365; Soft Matter 2011, 7, 8337-8342; ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 4905-4912; Appl. Phys. A 2013, 111, 243-249; Langmuir 2013, 29,3274-3279; J. Phys. Chem. C 2013, 117, 24907-24912; J. Mater. Chem. A 2014, 2,5499-5507; Appl. Surf. Sci. 2014, 288, 579-583; RSC Adv. 2014, 4, 8138-8143; J.Micromech. Microeng. 2014, 24, 035006; Chem. Commun. 2015, 51, 9813-9816; Appl.Surf. Sci. 2016, 389, 1148-1155; Appl. Phys. A 2016, 122, 827; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 25249-25257; Adv.Mater. Interfaces 2018, 5, 1701245）、水下超疏油（J. Mater. Chem. A 2014, 2,8790-8795; Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 071608; J. Mater. Chem. A 2015, 3,10703-10709; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9379-9384; Adv. Mater. Interfaces 2015,2, 1400388; RSC Adv. 2015, 5, 40907-40911; Appl. Phys. A 2015, 119, 837-844;Langmuir 2017, 33, 3659-3665; Appl. Phys. A 2017, 123, 594）、水下超疏空氣（ACS Appl.Mater. Interfaces 2017, 9, 39863-39871; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 25249-25257;Nanoscale 2018, 10, 3688-3696）以及潤滑液灌注超滑表面（Adv.Mater. Interfaces 2017, 4, 1700552; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1701479）等極端潤濕性界面的構建方法和關鍵加工參數。在飛秒激光仿生調控材料表面潤濕性研究領域做出了許多引領性工作，相關研究成果被九次選為期刊封面文章（包括八個前封面和一個底封面）。

    以上工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點和面上項目、國家重大科學儀器設備開發專項、機械制造系統工程國家重點實驗室和微納制造與測試技術國際合作聯合實驗室的大力支持。

    陳烽教授個人主頁：

    http://gr.xjtu.edu.cn/web/chenfeng

    雍佳樂講師個人主頁：

    http://gr.xjtu.edu.cn/web/jlyong

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責任編輯：王元

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