中南大學Nano Letters: 氣流觸發飛秒激光誘導非均勻濕潤性表面的水膜自塑形

【前言】

液體操縱在自然界、日常生產生活和科學研究中具有重要意義。利用獨特的界面結構或外界刺激，可使液體表面張力出現不平衡，從而使液滴定向移動，這是目前大多數液體操縱的常用方法。比如在電磁場、光或熱等外界刺激下，可實現浸潤功能性表面液體的定向移動。然而，目前的液體操縱方法往往需要外界持續刺激，且大部分針對水滴或少量液體，如何實現大規模液體的低耗操縱仍然是一個挑戰。

【研究成果】

近日，中南大學物理學院銀愷教授（唯一通訊作者）團隊和以色列本古里安大學Christopher J. Arnusch教授團隊合作在Nano Letters期刊上發表了題為 “Airflow triggered water film self-sculpturing on femtosecond laser induced micro/nano-structured heterogeneously wetted surfaces”的研究成果。作者采用飛秒激光加工和硬脂酸高溫改性的方法，在鋁板表面構筑了非均勻濕潤性結構表面，由于表面能的差異，當一定氣流沖擊其表面覆蓋的水膜時，在拉普拉斯壓力的作用下水膜會自動去濕，從而實現大規模水膜的自塑形。該方法利用瞬時氣流，實現了大規模水膜的精準操縱，在液體操縱工程等領域具有重要意義。該論文第一作者為中南大學物理學院22級碩士楊鵬宇。

【圖文簡介】

圖1：荷葉表面的自去濕，飛秒激光制備非均勻濕潤性表面和氣流觸發水膜自塑形的過程。

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(a) 自然界中荷葉表面的自去濕行為；

(b) 飛秒激光制造非均勻濕潤性表面;

(c) 加工過程中不同樣品的光學照片；

(d) 氣流觸發水膜自塑形過程。

圖2：非均勻浸潤性表面的結構及材料表征

(a) 不同倍率下超親水表面的電鏡圖片；

(b,c)?超親水表面的元素比例和分布；

(d)?超親水表面的3D輪廓形貌；

(e)?不同倍率下超疏水表面的電鏡圖片；

(f,g)?超疏水表面的元素比例和分布；

(h)?超疏水表面的3D輪廓形貌。

圖3：表面浸潤性表征

(a-c) 未處理表面的光學和浸潤性圖片;

(d-f) 超親水表面的光學和浸潤性圖片;

(g-i)?超疏水表面的光學和浸潤性圖片。

圖4：氣流觸發水膜去濕條件分析

(a-c) 不同風速不同水膜厚度去濕過程；

(d) 水膜未破裂，去濕和去濕后復原三種過程條件；

(e) 水膜破裂和風速、水膜厚度的關系；

(f) 水膜去濕過程中液體壓力變化仿真圖。

圖5：水膜自塑形應用

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(a,b) 水膜自塑形在水體加密方面的應用；

(b) 水膜自塑形用于液體容器的構筑；

(d,e)?水膜自塑形在液膜圖案化方面的應用；

(f) 表面功能的耐久性測試。

【小結】

本研究中作者利用飛秒激光便捷、可控和易圖案化的加工特點，制造了非均勻浸潤性微納結構表面，所加工的表面可以在氣流觸發下實現水膜的自塑形。同時，通過設計不同的表面圖案，探索了其在水體加密、液體容器構筑等方面的應用，該方法為水膜的低耗精準控制提供了新思路。

【致謝】

特別感謝中南大學機電工程學院段吉安教授和物理學院何軍教授在材料表征和性能測試等方面的大力支持。

文獻鏈接

Airflow Triggered Water Film Self-Sculpturing on Femtosecond Laser-Induced Heterogeneously Wetted Micro/Nanostructured Surfaces, 2024,?Nano Lett., DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c05042