飞秒激光直写技术制备仿生微纳结构表面及多功能应用研究
来源:本站原创 浏览次数: 发表日期:2020-07-30

1.文章导读    

飞秒激光直写技术相较于传统微纳加工方法(离子刻蚀法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积、模板法和自组装法等),因其精度高、可控性好、适用于不同材料等优势而被广泛应用于仿生微纳结构的可控制造。这些仿生微纳表面因具有多样化的潜在应用(自清洁、油-水分离、雾气收集、液滴/气泡操纵、液体定向运输和液滴/光开关等)而引起了学术界和工业界的广泛兴趣。近期,中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东、褚家如教授课题组的焦云龙博士后、张亦元博士生等《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《飞秒激光直写技术制备仿生微纳结构表面及多功能应用研究》的综述 ,系统介绍了“仿生-制备-结构-应用”四者之间的本征联系。随后,作者通过与当前制造策略的对比,突出了飞秒激光在仿生微结构表面制造中的独特优势,并进一步总结了用于多功能微纳结构的典型仿生(荷叶、猪笼草、水稻叶、蝴蝶翅膀等)设计。基于界面化学和几何光学原理,作者讨论这些多功能仿生微纳表面的潜在应用,分析展望了通过飞秒激光直写技术在仿生微纳结构制造领域的机遇与挑战。 

2.研究背景    

自然界经常引领现代工业极端制造的实际应用(雷达、潜艇和飞机等)来获得有用性能(抗磨、抗腐蚀和自清洁等),而这些极端功能特性主要来源于独特的表面微纳米结构。其中最吸引人的现象之一就是荷叶的自清洁特性,正如北宋理学家周敦颐的散文《爱莲说》中的名句“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖”,反映的就是荷叶表面独特微纳米结构赋予其极端疏水的特性。另一个典型例子是在极端干燥的沙漠中生存的沙漠甲虫,这种甲虫背部的独特超亲水-超疏水复合结构使得其能从雾气中收集雾水来适应环境。为了获得这些功能微纳表面,发展了了很多微纳制造方法。然而,这些方法都有着诸如精度低、材料范围小、加工环境恶劣、二次加工与环境不友好等本征限制。因此仍需发展一种高效、高精度的简便方法来制备仿生多功能表面结构。飞秒激光直写技术作为一种新颖的加工手段,因其加工精度高、材料适用范围广、简单快捷的优势吸引了广发研究人员的兴趣。已有较多工作报道了飞秒激光直写技术在推动微纳制造领域的进展。然而,一些必要的特性,如极端微纳结构的分类,形成机制与设计范式等没有被系统总结和深入理解。在本文中,作者对飞秒激光直写技术制备微纳结构用于多功能应用做了详细介绍。

3.最新进展    

本文主要分为四个部分:仿生-制备-结构-应用的本征关系,飞秒激光与固体材料的相互作用,飞秒激光直写技术制备的典型微纳结构,微纳结构的多功能应用。首先,各类自然界生物(荷叶、蜻蜓、蝴蝶、壁虎等)进化出了优异性能(自清洁、复眼、结构色、干胶带)的微纳结构表面,这启发人类发展各种微纳加工技术来仿生这些独特结构加工各种功能界面材料。这种微纳米复合结构是重新这些独特功能的关键。另外,很多性能(油水分离、自驱动雾气收集)等都与分层结构表面的超浸润性能相关。但这些独特微纳结构给当前的制造方法提出了新的挑战,而飞秒激光直写技术的出现为微纳制造领域带来了新的策略。

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图1 仿生-制备-结构-应用的相互关系 

其次,作为人类探索微观世界的重要手段之一,微纳制造技术在微电子、微光学等领域具有重要应用。当前的微纳制造技术主要包括平面光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学聚合和自组装等。这些技术都有其本征缺点,例如电子束刻蚀和聚焦离子束技术的成本昂贵,平面光刻技术难以制备三维结构等。近些年,飞秒激光直写技术被广泛应用于微纳加工领域。由于其超强、超快、超精密的特性,飞秒激光制造具有显著的优势:热效应小;材料范围广;真三维加工。飞秒激光于材料相互作用的机制一般可分为:烧蚀、诱导和沉积。简而言之,飞秒激光制造技术因其高精度、材料范围广和一步加工的优势在表面工程化领域具有广泛应用。

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图2 不同的微纳制备方法。版权所有(2015)ACS 

在典型微纳结构制备方面,基于飞秒激光与材料的相互作用机制,制备出一系列独特结构(微孔、微柱、多级结构、自生长结构、纳米条纹等)。例如,利用飞秒激光在金属或聚合物薄膜表面加工微孔阵列,微孔的形貌参数可通过激光加工参数精密调节,微孔表面质量相较于纳秒激光和连续激光有着较大提高。另外,受到自然界动态响应性材料的启发,一种基于“自生长”模式的表面结构制备方法被提出。通过飞秒激光与热缩型聚合物的相互作用,可以制备出柱状结构,且通过控制激光扫描路径等参数能够实现微柱的弯曲变形及图案化,这在加密/解密,超敏感探测等领域有着应用前景。近些年,很多研究组重点关注了液体辅助飞秒激光直写技术,与在空气中加工相比,更多不同的微纳米结构被制造出来。例如,在酒精、蔗糖和水溶液的辅助下,不同的硅表面微锥结构被制备出来。结构表面参数和表面粗糙度等可精密控制。因为辅助溶液的特性(密度、年度、沸点)不同,实际加工得到的微纳结构也有显著区别。因此,环境条件是形成不同微纳结构的一个关键。

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图3 微孔阵列结构。(a)飞秒激光微纳加工系统。(b)不同激光功率下微孔直径与激光脉冲数关系。(c)微孔的上视图和下视图SEM。(d)选择性酒钢烧蚀后薄膜的顶部和底部元素成分分析与微孔的内部形貌。(a-b)版权所有(2016)英国皇家化学学会。(c-d)版权所有(2018)美国物理学会

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图4 局部可重构自生长结构。(a)飞秒激光制备形状记忆聚合物薄膜。(b)飞秒激光加工单根弯柱。(c)激光诱导聚合物自生长的四个过程。(d)图案化弯柱阵列的可控制备。(a-d)版权所有(2018)Wiley

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图5 液体辅助飞秒激光直写技术制备多种结构。(a)酒精辅助飞秒激光烧蚀微锥阵列。(b)蔗糖溶液辅助飞秒激光烧蚀的微结构阵列。(c)微锥的放大图。d)微锥高度统计。(e)微锥粗糙度。(a-b)版权所有(2016)RSC。(c-d)版权所有(2015)RSC。(e)版权所有(2008)ACS

在多功能应用方面,随着仿生学和飞秒激光极端制造技术的快速发展,各种各样的功能强大的界面材料被设计和制备出来,这些界面材料与其表面微纳结构密切联系。这些强大的功能包括:油水分离、雾气收集、防冰防雾、结构色、液滴/气泡操纵和抗反射等。例如,通过飞秒激光微钻孔技术在金属箔片上加工出微米级的孔阵列,通过表面化学修饰,赋予材料表面特定的超浸润性能,可以实现油水分离功能。通过在表面上构建各向异性的微纳结构或通过低表面处理,使得在外界刺激(电、磁、光、热等)下,可实现液滴和水下气泡的快速灵活操纵,这对水处理、传感器和微反应技术领域都有着应用前景。

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图6 油水分离。(a)双面神油桶和双面超疏水油桶的比较。(b)油水混合物的自发连续分离。(c)不锈钢网对溢油的收集。(d)30次摩擦测试后的分离效率。(a)版权所有(2017)RSC。(b)版权所有(2016)RSC。(c-d)版权所有(2017)RSC

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图7 液滴和气泡操纵。(a)超低电压驱动不同液滴钉扎与滑移行为的原位可逆转换。(b)近红外光驱动SLIPS表面水下气泡的滑移。(c)单向机械拉伸实现液滴钉扎和滑移行为的原位可逆调谐。(d)莫比乌拉斯带上的水下气泡运输。(e)PET样品上不同液体的滑移。(a)版权所有(2019)ACS。(b)版权所有(2019)Wiley。(c)版权所有(2019)ACS。(d)版权所有(2019)RSC。(e)版权所有(2018)John Wiley

4.未来展望    

飞秒激光直写技术制备仿生多尺度微纳结构已经取得了很多成果。然而,飞秒激光直写技术仍然面临着巨大挑战:飞秒激光与不同材料相互作用的机制未被完全理解;飞秒激光加工成本高和加工时间长的缺点;有些复杂微纳结构难以用单一激光加工方法制造;如何选取最佳的表面结构来提高材料性能;另外,尽管在科学研究中取得了巨大的进展,飞秒激光直写技术在实际工业用途中还面临着诸多困难。因此,深入理解飞秒激光与材料相互作用的机制,结合飞秒激光直写技术与传统加工方法的各自优势,发展仿生微纳结构界面材料对推动其工业实际应用具有重要意义。我们相信,飞秒激光制备仿生微纳材料会在不久的将来大放异彩。

5.作者简介

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吴东教授,获得2012年全国百篇优秀博士论文,入选第五批青年千人计划,国际著名光学杂志Optics Letters的Topical Editor,长期从事于飞秒激光微纳加工领域的研究。在微光学器件、微流体器件、微纳机器人和仿生功能微结构等领域开展了一系列工作。在Nat. Photonics(入选封面、中国光学十大进展), Nat. Commun, Light: Sci & Appl.(2篇,其中1篇入选ESI“高被引论文”),PNAS(美国科学院院刊),Adv. Mater.,ACS Nano,Laser Photon. Rev., Lab Chip,Appl. Phys. Lett., Opt. Lett.等杂志发表相关论文100余篇,其中影响因子8.0以上30余篇,专利6项。所发表的论文被杂志封面采用、专题评价、最高下载和转载累计50篇次,被引用3000余次。作为负责人主持国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、面上项目、中科院仪器专项等。

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焦云龙,合肥工业大学机械工程专业博士,现中国科学技术大学博士后研究员,长期从事激光微纳制造与表界面摩擦学研究。近三年围绕激光微纳加工,在仿生功能表面制备及应用、界面摩擦与润滑行为分析等领域开展了一系列工作。在Adv. Funct. Mater.,ACS nano,Nanoscale, 机械工程学报等国内外权威期刊发表论文20余篇,其中第一/通讯作者15篇,1篇入选ESI“高被引论文”。作为项目负责人主持国家自然科学基金青年基金、博士后面上基金以及中央高校基本科研基金3项科研项目。

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张亦元,博士研究生,西安交通大学机械学院机械工程及自动化专业学士,中国科学技术大学工程科学学院精密机械与精密仪器系在读博士研究生。主要研究方向:飞秒激光仿生微纳制造与特定微结构界面的特殊微流体行为理论机制、性能调控和潜在应用研究。以第一作者在Langmuir、Chin. Sci. Bull.等杂志上发表论文,在Adv. Mater.、ACS Nano、Nanoscale、J. Mater. Chem. A、Appl. Phys. Lett.、Adv. Mater. Interfaces等杂志上参与发表论文。


原文链接https://doi.org/10.1088/2631-7990/ab95f6. Zhang Y Y, Jiao Y L, Li C Z, Chen C, Li J W et al. Bioinspired micro/nanostructured surfaces prepared by femtosecond laser direct writing for multi-functional applications. Int. J. Extrem. Manuf. 2, 032002(2020). 



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