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科学家利用超快激光制备仿生表面

2016-09-23 09:21
潇纵
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  神奇的大自然母亲总能带给人无限的启迪,许多生物独一无二的特殊技能更是人类梦寐以求的能力。

  荷叶的表面有“出淤泥而不染”的特点,任凭风吹雨打,却能始终保持干净。

图  荷叶上的水珠

  雨后的玫瑰花特别娇艳水嫩,因为其花瓣表面具有超强的吸附水分能力,这可以让它尽可能多地保持水分。

图  玫瑰花花瓣表面

  这些神奇的现象与液体在其表面特殊的浸润性有关,这也带给人类无限的想象,例如更快的飞机、轮船,永不结冰的输电线路,高效的集水装置等。

  表面特殊的浸润性与表面的显微形貌和化学成分密切相关,而获得具有微纳米尺度的表面结构是获得特殊浸润性表面的关键。

图  蝴蝶翅膀表面的微纳米结构

  近年来,科学家们通过各种各样的方法来制备这些具有特殊浸润性的仿生表面,超快激光表面直写技术就是其中一种。通过超快激光脉冲扫描材料的表面,可以在各种材料表面烧蚀诱导出表面微纳米结构,再结合其他工艺改变表面成分,就可以获得具有特殊浸润性的仿生表面。

  超亲水表面:超亲水表面的核心在于较高的表面自由能和丰富的表面微纳结构。超亲水表面常见于金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃等无机固体表面。通过超快激光在这些表面制备微纳结构后,可使表面具有典型的超亲水特征。

图  超快激光改性后的超亲水玻璃表面实现水往高处流

  超疏水表面:超疏水表面一般需要丰富的表面微纳结构及较低的表面自由能。通过超快激光对金属铝表面进行扫描,可以制备锥状的微纳复合结构,表面再通过月桂酸改性,可以获得超疏水性。

图  超快激光改性后的超疏水铝表面(钟敏霖教授许可使用)

  高粘附的超疏水表面:理想的超疏水表面要求水的接触角大,同时对水具有极小的粘附力。高粘附的超疏水表面虽然具有较大的接触角,但对水却表现出较大的粘附力,控制表面粘附力的关键在于控制表面微纳结构的类型和分布。通过超快激光表面微纳处理,可在铜表面制备出具有玫瑰花表面结构特点的微纳复合结构,获得高粘附的超疏水表面。

图  通过超快激光在铜表面制备的高粘附超疏水表面(钟敏霖教授许可使用)

  各向异性的超疏水表面:各向异性的超疏水表面的核心是各向异性的微纳复合结构。利用超快激光表面微纳处理技术,可以非常灵活、多样地控制表面微纳结构的形状和分布。利用该技术可制备出类似水稻叶表面的单向微米沟槽结构,并获得各项异性的超疏水表面。

图  通过超快激光制备的类似水稻表面的各项异性微纳结构

  相较于常规的化学制备手段,超快激光表面直写技术具有显著的技术特点,非常适用于基础科研和小面积表面处理等领域。基于该种技术原理改变材料表面的浸润性,也被证明在生物医疗、工业换热、电解制氢等领域具有潜在的应用价值。

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