中南大学Nano Letters: 气流触发飞秒激光诱导非均匀湿润性表面的水膜自塑形

【前言】

液体操纵在自然界、日常生产生活和科学研究中具有重要意义。利用独特的界面结构或外界刺激，可使液体表面张力出现不平衡，从而使液滴定向移动，这是目前大多数液体操纵的常用方法。比如在电磁场、光或热等外界刺激下，可实现浸润功能性表面液体的定向移动。然而，目前的液体操纵方法往往需要外界持续刺激，且大部分针对水滴或少量液体，如何实现大规模液体的低耗操纵仍然是一个挑战。

【研究成果】

近日，中南大学物理学院银恺教授（唯一通讯作者）团队和以色列本古里安大学Christopher J. Arnusch教授团队合作在Nano Letters期刊上发表了题为 “Airflow triggered water film self-sculpturing on femtosecond laser induced micro/nano-structured heterogeneously wetted surfaces”的研究成果。作者采用飞秒激光加工和硬脂酸高温改性的方法，在铝板表面构筑了非均匀湿润性结构表面，由于表面能的差异，当一定气流冲击其表面覆盖的水膜时，在拉普拉斯压力的作用下水膜会自动去湿，从而实现大规模水膜的自塑形。该方法利用瞬时气流，实现了大规模水膜的精准操纵，在液体操纵工程等领域具有重要意义。该论文第一作者为中南大学物理学院22级硕士杨鹏宇。

【图文简介】

图1：荷叶表面的自去湿，飞秒激光制备非均匀湿润性表面和气流触发水膜自塑形的过程。

(a) 自然界中荷叶表面的自去湿行为；

(b) 飞秒激光制造非均匀湿润性表面;

(c) 加工过程中不同样品的光学照片；

(d) 气流触发水膜自塑形过程。

图2：非均匀浸润性表面的结构及材料表征

(a) 不同倍率下超亲水表面的电镜图片；

(b,c) 超亲水表面的元素比例和分布；

(d) 超亲水表面的3D轮廓形貌；

(e) 不同倍率下超疏水表面的电镜图片；

(f,g) 超疏水表面的元素比例和分布；

(h) 超疏水表面的3D轮廓形貌。

图3：表面浸润性表征

(a-c) 未处理表面的光学和浸润性图片;

(d-f) 超亲水表面的光学和浸润性图片;

(g-i) 超疏水表面的光学和浸润性图片。

图4：气流触发水膜去湿条件分析

(a-c) 不同风速不同水膜厚度去湿过程；

(d) 水膜未破裂，去湿和去湿后复原三种过程条件；

(e) 水膜破裂和风速、水膜厚度的关系；

(f) 水膜去湿过程中液体压力变化仿真图。

图5：水膜自塑形应用

(a,b) 水膜自塑形在水体加密方面的应用；

(b) 水膜自塑形用于液体容器的构筑；

(d,e) 水膜自塑形在液膜图案化方面的应用；

(f) 表面功能的耐久性测试。

【小结】

本研究中作者利用飞秒激光便捷、可控和易图案化的加工特点，制造了非均匀浸润性微纳结构表面，所加工的表面可以在气流触发下实现水膜的自塑形。同时，通过设计不同的表面图案，探索了其在水体加密、液体容器构筑等方面的应用，该方法为水膜的低耗精准控制提供了新思路。

【致谢】

特别感谢中南大学机电工程学院段吉安教授和物理学院何军教授在材料表征和性能测试等方面的大力支持。

文献链接

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