師法自然!飛秒雷射直寫技術製備仿生微納結構表面及多功能應用

2020-12-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：飛秒雷射直寫技術廣泛地應用於可控制造仿生微納結構，這是因為該技術具有高精度、簡單高效且同其他微納製造技術相比，還具有同材料的兼容性好的優點。仿生微納的表面由於具有廣闊地應用背景，如自清潔表面、油水分離、霧氣收集等而在工業領域和學術界得到廣泛地關注。本綜述則展現了自然界的生物、製造工藝、微納結構和它們的潛在應用之間的內在聯繫。然後，我們為大家呈現了大量的現有的製造策略以凸顯飛秒雷射直寫技術在製造微納仿生結構表面上的優勢。緊接著，我們還總結了一系列典型的自然界的仿生設計，如荷葉表面、豬籠草、稻葉、蝴蝶的翅膀等。通過飛秒雷射直寫技術製備的仿生微納結構及其典型的多方面的應用。基於界面化學和結構光學的相關理論，我們同時討論了這些微納結構的潛在應用並評估了採用飛秒雷射直寫技術進行製備微納仿生結構所面臨的挑戰和帶來的機遇。本綜述同時還包括飛秒雷射直寫技術在仿生領域中的未來的展望。

圖1 自然界的生物-微納製造工藝-微納表面結構和微納應用之間的內在聯繫

圖2 自自然界獲取的仿生結構的實例及其典型應用

圖3 幾種不同的微納製造工藝

圖解： (a) 平板印刷術和蝕刻技術；(b) 電化學沉積；(c)等離子體加工；(d) 飛秒雷射加工技術

自然界可以說是現代工業極端製造行業的指引者。於是，向大自然學習而誕生的仿生設計，由於其獨特的表面所具有的微納結構而呈現出獨特的功能特徵，從而在雷達、潛水艇、飛機、耐蝕塗層和自清潔等場合得到了廣泛地應用。其中最為引人矚目地一個應用就是荷葉的自清潔效應。宋朝的理學家周敦頤曾經在《愛蓮說》中寫過這樣地詩句：」予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝，香遠益清，亭亭淨植，可遠觀而不可褻玩焉「。另外一個典型的例子就是納米布沙漠旱蟲，它可以生長在極端乾燥和極端大霧瀰漫的沙漠環境中。這一啟發可用於飛機的防霧，收集霧，集水用來衝洗和收集起來用於飲用水，適用大霧、乾燥的環境中。這些極端的生物學特徵均擁有獨特的表面形貌和適宜的內在的潤溼性能。表面絨毛形態和微小的納米級別的蠟質粒子賦予荷葉表面具有超疏水的特徵和自清潔的能力。將超親水的織構和超疏水的溝槽組合在一起的納米布沙漠旱蟲可以從潮溼的空氣中吸收水汽。而多餘的水滴則聚集在超親水的區域中保存下來，這些水滴來回滾動，最後落入旱蟲的嘴中。

圖4 超疏水錶main及其典型應用

圖5 排列的微小孔的結構

圖解：(a) 飛秒雷射進行微納加工製造的系統；(b) 不同雷射功率時雷射脈衝數量和微孔直徑之間的關係圖； (c) 微孔的入口和出口的SEM圖； (d) 雷射飛秒加工後入口和出口處膜的成分分析；

為了獲得這一具有功能性特徵的微納結構的表面，研究人員發展了不同的微納製造技術，包括離子蝕刻、Sol-gel工藝、自組裝以及模板法等。比較遺憾的是，以上這些製造工藝均存在不可避免地缺陷，如要麼是工藝過於複雜而不能實現精密控制，同時每個工藝都有特定地材料限制，工藝環境比較苛刻，製造過程常常會帶來二次汙染而造成對環境的破壞。因此，迫切需要研發新的工藝來製造更為有效、精確且易於製備的多功能表面微納生物結構。飛秒雷射直寫技術作為一種新穎地製備微納生物結構的表面技術，由於其超高的加工精度、對材料的適應性廣、操作簡單和加工效率高等優點而吸引了人們的廣泛關注。目前已經有大量地綜述報導了飛秒雷射直寫技術在製造微納仿生結構領域所取得地最新進展。然而，比較關鍵地特徵，如微納仿生結構的分類、形成機制、設計範例、極端微納仿生結構等均沒有給予系統的研究總結。對以上這些特徵的深入了解對於採用飛秒雷射進行仿生生物表面的製備至關重要。

圖6 微柱的排列結構

在本綜述中，我們為大家展現了自然界生物、製造工藝、微納結構和潛在的應用之間的關係。同時我們還對現存的微納製造策略的特徵進行了對比，並重點闡述了飛秒雷射直寫技術在製備仿生表面結構的優勢。緊接著，我們為大家呈現了仿生結構設計（如荷葉、豬籠草、稻草葉、蝴蝶的翅膀等）和飛秒雷射加工製造的各種功能微納器件（如微孔、微柱、周期性等級結構、納米波紋、自組裝結構等）、基於界面化學和結構光學的相關理論，我們總結了採用飛秒雷射直寫技術製備的微納結構在結構光、自清潔、油水分離、霧收集、水下氣泡收集、液滴的直接傳輸、液滴/光轉換等的應用。最後，我們總結了採用飛秒雷射直寫技術製備微納結構所面臨的挑戰和帶來哦的機遇，同時對飛秒雷射加工在仿生領域的未來的應用給予了分析。

圖7 等級排列的微納結構

圖8 局部的自生長可重構的 具有建築風格的結構

自然界的生物經歷了幾萬年的演化，已經發展了一套特別吸引人們目光且能適應環境的微納結構，從而吸引人們通過微納製造的手段來透徹的理解和/或來模擬發展不同的潛在的應用，如圖1所示。如自清潔的表面的應用就是受到荷葉的啟發，荷葉是出淤泥而不染。相機的複眼就是受到蜻蜓的複眼的啟發，從而實現更寬廣範圍的偵察。結構光則是受到蝴蝶的翅膀的啟發，在單色光照射時可以製造出令人印象深刻的色彩斑斕的顏色。幹膠帶就是受到壁虎腳趾的啟發，它可以在即使是非常光滑的表面也能實現有效可靠的黏附，這也是蜥蜴具有獨特的攀爬能力原因。這些生物功能促使科學家們開發相類似的功能材料。

圖9 誘導的納米波紋的排列結構

微納尺度的等級結構被認為是複製再現這些生物學功能的仿生結構的關鍵因數。例如，在超疏水蠟質上的一薄層多尺度的微納結構可以起到防止汙染的作用，汙染不會發生黏附，這一效應同荷葉的自清潔效應非常相像。髒的灰塵在水滴衝刷時非常容易就在荷葉表面上被衝刷掉，這一效應被稱之為自清潔效應。此外，超疏水的葉子表面所具有的多尺度的微納結構可以表現出一種在液態下超強的吸附氣泡的能力，這可以用來在深海中作為收集理想的富集氣體的裝置。

圖10 液體中採用飛秒雷射直寫誘導的不同的顯微結構

而且，不同的功能，如油水 分離、自驅動霧收集等均同等級結構表面的超潤溼性相關，其中一個最為重要的典型表面就是單層傑納斯膜，具有梯度圓錐形的微孔排列相關。它可以實現在膜的不同表面具有截然不同的潤溼性。液滴自發地穿過錐形微孔，主要取決於潤溼性地驅動力和Laplace氣壓差。這一生物學傑納斯膜在自驅動霧收集領域非常有應用潛力。

圖11 油水分離的仿生結構

然而，這些獨特地微納結構所呈現出來的優異性質也為當前地微納製造工藝帶來前所未有的挑戰，如傳統的印刷術、離子蝕刻反應、電化學沉積、等離子加工等，均面臨著巨大的挑戰。這些傳統的製造工藝步驟繁多，同時還對環境造成汙染。飛秒雷射直寫是一種製備微納結構的新工藝。飛秒雷射已經在不同材料表面成功地製備出不同的微結構，如金屬、聚合物上已經有成功地應用。通過調整關鍵工藝參數，可以在表面獲得可控的微納結構。通過先進的微納製造技術，我們可以複製出自然界中所具有的獨特的微納結構，從而獲得自然界生物所具有的獨特的生物學性能，如防冰、油水分離、能量轉換、氣泡操控、結構色、防霧等。這一成果由中國科學技術的學者一綜述的形式發表在期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》 上，歡迎感興趣的讀者查閱。

圖12 霧收集

圖13 防冰

F

圖14 結構色

圖15 液滴和氣孔操控

圖16 抗反射塗層

文章來源：張亦元, 焦雲龍, 李傳宗, 陳超, 李家文, 胡衍雷, 吳東, 褚家如，Bioinspired micro/nanostructured surfaces prepared by femtosecond laser direct writing for multi-functional applications。International Journal of Extreme Manufacturing, Volume 2, Number 3，

參考資料：DOI: 10.1039/C8NH00223A (Review Article) Nanoscale Horiz., 2019, 4, 52-76，Recent advances of bioinspired functional materials with specific wettability: from nature and beyond nature

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