以下文章來源於(yu) 光電期刊 ，作者編輯部，江蘇激光聯盟陳長軍(jun) 轉載

封麵文章 | 楊青，成揚，方政，等. 仿生超滑表麵的飛秒激光微納製造及應用[J]. 光電工程，2022，49(1): 210326.

論文第一作者：楊青 副教授；通信作者：陳烽 教授

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概述

固、液、氣是物質存在的三種基本形態。固體(ti) 表麵的潤濕性，即固/液界麵的相互作用，對於(yu) 自然界中動植物的生存以及我們(men) 日常生活都有著非常重要的意義(yi) 。而其中具有特殊潤濕性的表麵格外引人注目。大自然是科學家和工程師最好的老師，激發出了無數設計新材料和發展新技術的靈感。經過數十億(yi) 年的進化，自然界中生物擁有了近乎完美的結構和功能。其中，許多生物體(ti) 展現出獨特的表麵潤濕性，如荷葉具有自清潔功能，水黽能夠在水麵上行走，蝴蝶可以在雨中飛行，蚊子眼的防霧功能，草魚在水下不粘附油汙，沙漠甲蟲具有收集水霧，豬籠草可以捕獲昆蟲為(wei) 自身提供營養(yang) 的能力等。

研究表明，材料表麵的潤濕性要由固體(ti) 表麵的化學分子組成和微觀幾何形貌共同決(jue) 定。針對材料表麵潤濕性的研究成為(wei) 了當前的一個(ge) 研究熱點，受自然界中動植物啟發，許多具有特殊潤濕性的人工材料和器件被製備出來。這些特殊潤濕性表麵有很多非常重要的應用領域，如大型室外建築物抗汙染，海洋油汙染生態災難的緊急處理，防止輸油管線內(nei) 淤塞，潛艇表麵防腐、減阻減噪，微流體(ti) 係統，調節幹細胞分化等。

近年來，受到豬籠草特殊浸潤性的啟發，一種液體(ti) 灌注的多孔超滑表麵被提出，其廣泛的疏液性、超強的穩定性使其在生物抗凝、減阻、生物微量檢測等領域具有巨大的潛力。

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關(guan) 鍵進展

近日，西安交通大學陳烽教授課題組從(cong) 仿生製造的角度出發，以飛秒激光微加工技術為(wei) 手段，從(cong) 超滑表麵的飛秒激光微納製備和應用兩(liang) 個(ge) 方麵進行了綜述。仿生超滑表麵由於(yu) 能抗各種液體(ti) 甚至動植物黏附，並具有優(you) 異的穩定性和自修複性，因而具有非常重要的研究價(jia) 值和廣泛的應用前景。飛秒激光微加工技術具有材料普適性強、加工精度高、可控性強等特點，在製備和調控特殊浸潤性表麵方麵具有非常突出的優(you) 勢。

2011年，Wong等人[1]首次報道了仿豬籠草的液體(ti) 灌注多孔超滑表麵，通過在材料表麵構建一層多孔網狀結構，注入潤滑液，潤滑液會(hui) 存儲(chu) 在多孔網狀結構內(nei) 部，並在表麵形成一層潤滑層，最終通過這層潤滑層來提升材料的疏液性。圖1為(wei) 豬籠草表麵結構及其超滑性能。

圖1 豬籠草表麵結構及其超滑性能。（a）豬籠草的光學照片；（b）豬籠草的微觀形貌；（c）放豬籠草超滑表麵的製備流程；（d）正十六烷在超滑表麵的滑動性能

2017年，Yong等人[2]率先利用飛秒激光直寫(xie) 技術在聚酰胺（PA6）表麵製備出超滑表麵，如圖2所示，激光掃描過後的PA6表麵分布著厚度約為(wei) 10 µm、直徑1 µm的三維網狀多孔結構。在激光燒蝕過程中，多光子的非線性吸收使得表麵瞬時產(chan) 生高溫高壓的等離子體(ti) ，與(yu) 此同時產(chan) 生的大量氣體(ti) 會(hui) 不斷溢出，熔融物在氣體(ti) 溢出時重新固化，生成三維網狀多孔結構。經過後續的氟化處理以及矽油灌注，形成的超滑表麵不僅(jin) 對低表麵張力的十六烷（表麵張力 = 27.5 mN/m）具有疏液性，還對各種混合液如咖啡牛奶、蛋黃等具有良好的疏液特性。該方法不僅(jin) 可應用於(yu) PA6，還同樣可應用於(yu) PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱亞(ya) 克力）、PA（聚酰胺，俗稱尼龍）等高分子材料。

圖2 飛秒激光在PA6表麵製備出的超滑表麵及其疏液性測試

2020年，Cheng等人[3]通過對飛秒激光進行時間整形和空間整形，在空氣環境中利用飛秒激光在金屬鎳鈦合金表麵製備出仿生超滑表麵（圖3）。在時間域上通過外觸發脈衝(chong) 波選頻的方式，實現一定頻率的脈衝(chong) 串輸出，在空間域上利用錐透鏡將飛秒激光光場從(cong) 高斯分布轉換為(wei) 貝塞爾分布，最終在空氣環境下直接在鎳鈦合金表麵構建出具有高深徑比的微納多孔結構。隨後通過空氣放置來吸收空氣中的烴基實現自身的低表麵能化，進一步的醫用級全氟萘烷灌注實現了鎳鈦合金超滑表麵的製備。這種超滑表麵的製備不僅(jin) 效率高，可以實現大麵積樣品加工，而且沒有使用化學處理，真正做到安全環保。

圖3 飛秒貝塞爾光在鎳鈦合金上的超滑表麵製備。（a）飛秒貝塞爾光的微加工係統；貝塞爾光在鎳鈦合金表麵加工的（b）仿真結果和（c），（d）實際形貌；（e）鎳鈦合金超滑表麵的製備過程；（f）水滴在鎳鈦合金超滑表麵上的滑動性能

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總結與(yu) 展望

仿豬籠草的超滑表麵由於(yu) 其優(you) 異的疏液性、穩定性與(yu) 自修複性，具有廣闊的應用前景。而飛秒激光作為(wei) 一種新型微納加工技術，因其對加工材料的普適性、高精度、高可控性等優(you) 勢逐漸吸引著人們(men) 的目光。飛秒激光成為(wei) 在各種材料上製備仿生超滑表麵的強有力工具。該綜述以豬籠草超滑表麵為(wei) 背景，飛秒激光微加工技術為(wei) 手段，從(cong) 仿生超滑表麵的製備和應用兩(liang) 個(ge) 方麵進行了發展現狀的總結。針對不同材料，通過對飛秒激光進行不同形式的整形，輔助以其他手段，實現了飛秒激光在聚合物、硬脆透明材料與(yu) 金屬表麵的仿生超滑表麵製備。針對不同的結構與(yu) 潤滑油性能，概述了超滑表麵在液滴操控、生物抗凝、防汙、以及防腐等領域的應用。

雖然有關(guan) 超滑表麵飛秒激光微納製備的研究很多，人們(men) 也在逐漸擴展仿生超滑表麵的製備和應用，但是仍然存在很多問題：

1）超滑表麵的自修複性來源於(yu) 液體(ti) 在三維多孔網絡中的流動性。對於(yu) 現有的金屬超滑表麵研究，均沒有實現三維多孔結構的互通，在受到外部損傷(shang) 以後，無法實現良好的自修複。所以真正仿豬籠草的三維多孔網狀結構依然沒有在金屬表麵實現，這也是研究團隊今後研究的努力方向之一。

2）液態潤滑層在疏液過程中會(hui) 不可避免的與(yu) 被排斥液體(ti) 接觸，所以針對昂貴的液滴檢測與(yu) 操控，存在樣本受到汙染的風險。因此，如何在保持超滑特性的基礎上，降低對所接觸樣本的汙染也是未來研究的一個(ge) 重要方向。

3）超滑表麵的所有優(you) 良特性都基於(yu) 表麵潤滑層的穩定存在，潤滑液一旦發生流失，所有的功能都將不複存在。因此如何提升超滑表麵的使用壽命是一個(ge) 很重要的研究方向。

4）現有關(guan) 於(yu) 超滑表麵的研究大都用到氟化物。氟化物的使用不僅(jin) 會(hui) 對安全性造成影響，而且也不符合綠色可持續發展的理念。

所以尋求一種安全、穩定的潤滑液也顯得尤為(wei) 重要與(yu) 迫切。綜上所述，尋求一種方法以獲得具有長期穩定性、高安全性的仿生超滑表麵將對微量檢測、生物抗凝、減阻、海洋減阻，防汙防腐等領域的發展具有重要意義(yi) 。

該綜述以“仿生超滑表麵的飛秒激光微納製造及應用”為(wei) 題作為(wei) 封麵文章發表在《光電工程》2022年的第1期。該研究受到國家自然科學基金（62175195，61875158）、國家重點研發計劃（2017YFB1104700）以及中央高校基本科研業(ye) 務費資助。

參考文獻

1. Wong T S, Kang S H, Tang S K Y, et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity[J]. Nature, 2011, 477(7365): 443−447.

2. Yong J L, Chen F, Yang Q, et al. Nepenthes inspired design of self-repairing omniphobic slippery liquid infused porous surface (SLIPS) by femtosecond laser direct writing[J]. Adv Mater Interfaces, 2017, 4(20): 1700552.

3. Cheng Y, Yang Q, Lu Y, et al. A femtosecond bessel laser for preparing a nontoxic slippery liquid-infused porous surface (slips) for improving the hemocompatibility of NiTi alloys[J]. Biomater Sci, 2020, 8(23): 6505−6514.

研究團隊簡介

超快光子實驗室（Ultrafast PhotonicLaboratory）負責人為(wei) 西安交通大學電信學院陳烽教授。UPL實驗室主要聚焦超快光學國際學術前沿，開拓激光製造與(yu) 超快成像共性技術。探索飛秒激光微納製造在三維光子集成、仿生智能表麵結構、微光學、微流控、微納電磁控製與(yu) 感應、微納米光機電係統等領域的應用；發展基於(yu) 飛秒（10-15秒）激光的微納米結構與(yu) 器件製備的新原理和新方法； 在分子尺度上研究飛秒激光與(yu) 材料相互作用超快動力學與(yu) 先進超快成像技術。並在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett.等學術期刊上發表論文300餘(yu) 篇，ESI高被引論文9篇，H因子38，SCI被引5000餘(yu) 次。研究成果入選“2019中國光學十大進展”、“2015中國光學重要成果”，獲得2013年國家教育部自然科學二等獎等。申請及獲得國家發明專(zhuan) 利47項。獲得國家重大科研儀(yi) 器研製項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學儀(yi) 器開發專(zhuan) 項、國家863計劃、中國科學院創新方向性項目、中科院重點項目、中國科學院創新工程項目、陝西省重點科研項目等國家及省部級科研項目等項目的資助。

課題組成員

實驗室入口

實驗室一角

論文原文：

楊青，成揚，方政，等. 仿生超滑表麵的飛秒激光微納製造及應用[J]. 光電工程，2022，49(1): 210326.