超快激光制备超润湿表面及超疏水表面的机械耐久性( Fabrication of superwetting surfaces by ultrafast lasers and mechanical durability of superhydrophobic surfaces )

R Pan M Zhong

经过数百万年的进化，大自然发展出各种独特的功能结构和有趣的现象，为仿生设计规则提供了取之不尽的见解。超湿表面，包括超疏水和超亲水两种表面，作为其中一种奇妙的现象，极大地激发了研究者的好奇心。通过模拟天然超湿结构如超疏水的荷叶、玫瑰花瓣、蝴蝶翅膀、水漫步者腿等和超亲水表面如鲨鱼皮、猪笼草等，开发出各种功能先进的人工超湿表面。研究表明，表面的超疏水性既取决于低表面能，也取决于微/纳米尺度的分层结构，这些结构将空气捕获在它们的微凸体中。制备微/纳米结构的方法有模板法、光刻法、溶胶-凝胶法、电沉积法、喷涂法等。但这些方法都有其固有的局限性，如程序复杂、涉及危险化学品和依赖材料类型等。另一方面，超快激光器的发展为微/纳米结构的制备提供了新的有力工具。作为一种替代方法，超快激光具有效率高、柔性可控、非接触过程、热影响区小、分辨率高、材料类型无关等优点，是在固体表面制备超润湿微/纳米结构的重要工具。近20年来，超疏水表面的研究取得了显著进展，但商业化的实际应用仍然十分有限。其主要原因之一归因于所制备的超疏水表面机械耐久性较差。超疏水表面通常是脆弱的，容易受到液滴冲击、机械划伤、磨损或振动等因素的破坏，极大地制约了超疏水表面的长期工作性能，是目前国内外研究工作面临的难题。因此，总结超疏水表面机械耐久性的现有研究成果，探讨超疏水表面机械耐久性所面临的挑战，回顾超快激光超润湿表面制备领域的研究动态，具有重要的现实意义。本文综述了近年来超快激光制备仿生超润湿表面的研究进展和超疏水表面的机械耐久性。首先介绍了超快激光制作的特点和方法。然后描述了一些众所周知的天然超湿表面。在此基础上，按超疏水表面、高透明度超疏水表面、超两性表面、超亲水表面、超疏水与超亲水混合表面、智能超疏水表面、自修复超疏水表面、湿滑液体注入多孔表面以及不同粘附性和各向异性的超润湿表面等顺序，阐述了不同的生物激发人工超润湿表面及其潜在应用。随后，对超疏水表面的机械耐久性及其测试和表征方法进行了综述和讨论。本部分讨论了各种测试方法的适用条件和提高超疏水表面机械耐久性的方法。最后讨论了超快激光微/纳米加工领域面临的问题和挑战以及未来的发展前景。超快激光表面微/纳米加工是一种非常流行的加工方法。随着自然界未知的秘密日益被揭示，在所有科学家和工程师的共同努力下，生物启发超润湿表面的研究将开启现代技术的新篇章。

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