中科大胡衍雷、吳東/西南科大李國強(qiáng)：飛秒激光調(diào)控蘑菇頭結(jié)構(gòu)的超快自生長

來源：高分子科學(xué)前沿

自然界生物可以通過自發(fā)生長的方式生長出各種結(jié)構(gòu)，如一顆種子在泥土里發(fā)芽最后沖破泥土成長為幼苗。作為對(duì)比，人工獲得表面凸起結(jié)構(gòu)一般通過減材或增材的制造方法，然而減材方法需要去除大量材料且耗費(fèi)時(shí)間，增材方法則需要補(bǔ)充額外的材料，因此有必要發(fā)展一種不需要額外材料且節(jié)約時(shí)間的制造方法。近年來，研究人員受自然界生物自生長模式的啟發(fā)，開發(fā)了基于基質(zhì)材料質(zhì)量轉(zhuǎn)移的綠色生長策略用于構(gòu)建面外微結(jié)構(gòu)。但是仍然存在以下不足：1.通過光調(diào)節(jié)單體局域聚合的方法需要單體定向運(yùn)動(dòng)和聚合，生長速度極慢(平均速度小于50 nm/s)，耗時(shí)長；2.由于基體材料的限制，目前只能制備出低縱橫比的表面簡單浮雕微圖案。因此，亟需尋求一種更直接、更有效的方法來構(gòu)建面外復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室和西南科技大學(xué)微納仿生系統(tǒng)與智能化團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種通過飛秒激光誘導(dǎo)自生長在PET/PS雙層表面上快速制造蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)微柱的方法。凹角結(jié)構(gòu)微柱的生長速度達(dá)到了317 μm/s，速度相比較局域光聚合方法提高了6000倍。進(jìn)一步，研究人員利用制備的蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)微柱表面（HRES）實(shí)現(xiàn)了低表面能油滴的排斥和操控，展示了在低表面能微液滴操控與無損運(yùn)輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。評(píng)審人高度評(píng)價(jià)本工作：認(rèn)為這項(xiàng)工作非常有趣，因?yàn)樗�提供了一種利用2D激光掃描制備微尺度3D浮雕結(jié)構(gòu)的方法。由于受光的直線傳播的限制，激光表面加工技術(shù)制備的微結(jié)構(gòu)通常是簡單的微柱或微壁。該工作首次實(shí)現(xiàn)了蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)微柱的飛秒激光制備，擴(kuò)展了激光加工的加工能力。

圖1. 飛秒激光在PET膠帶/PS雙層表面誘導(dǎo)自生長制備蘑菇頭微柱

圖2. 飛秒激光誘導(dǎo)蘑菇頭微柱的生長機(jī)理及工藝參數(shù)優(yōu)化

眾所周知，飛秒激光與材料相互作用的熱影響區(qū)可以被限制在極小范圍內(nèi)，同時(shí)隨著激光累積掃描可以產(chǎn)生足夠高的溫度。這一特點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)飛秒激光對(duì)熱敏聚苯乙烯形狀記憶聚合物薄膜（PS）的局部處理。研究人員利用飛秒激光在PET/PS 雙層表面上沿著圓路徑連續(xù)掃描，隨著激光掃描次數(shù)的增加，當(dāng)熱積累達(dá)到PS膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致底層PS膜的收縮和生長。但覆蓋層PET不能收縮，這樣就在短時(shí)間內(nèi)形成了蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)微柱。同時(shí)研究人員還定量研究了激光加工參數(shù)對(duì)蘑菇頭微柱結(jié)構(gòu)形貌的影響，揭示了蘑菇頭微柱自生長機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘑菇頭微柱結(jié)構(gòu)形貌的精準(zhǔn)調(diào)控。

圖3. 蘑菇頭微柱陣列表面的潤濕性

圖4. 基于蘑菇型微柱表面的油滴操控與無損運(yùn)輸

在優(yōu)化激光加工參數(shù)后，制備的蘑菇頭微柱陣列表面對(duì)不同低表面能液體展現(xiàn)出優(yōu)異的超疏液性能。研究人員還利用可編程激光技術(shù)制備了不同高度蘑菇頭微柱陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)油滴如橄欖油的定向無損運(yùn)輸和操控。此外，由于HRES具有高柔韌性，可以很容易地轉(zhuǎn)移到幾乎任何彎曲的基底上，且其超疏油性不受影響。該研究為制備柔性超疏液表面開辟了新的途徑，為微制造、微流體、微反應(yīng)器工程和可穿戴防污電子器件等領(lǐng)域提供了新的思路。

研究成果以題為“Femtosecond Laser Regulated Ultrafast Growth of Mushroom-Like Architecture for Oil Repellency and Manipulation”發(fā)表在國際著名期刊Nano Letters上。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生楊益和博士后研究員張亞超為共同一作，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授、吳東教授和西南科技大學(xué)李國強(qiáng)教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。


原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c03506