中科大胡衍雷、吴东/西南科大李国强：飞秒激光调控蘑菇头结构的超快自生长

来源：高分子科学前沿

自然界生物可以通过自发生长的方式生长出各种结构，如一颗种子在泥土里发芽最后冲破泥土成长为幼苗。作为对比，人工获得表面凸起结构一般通过减材或增材的制造方法，然而减材方法需要去除大量材料且耗费时间，增材方法则需要补充额外的材料，因此有必要发展一种不需要额外材料且节约时间的制造方法。近年来，研究人员受自然界生物自生长模式的启发，开发了基于基质材料质量转移的绿色生长策略用于构建面外微结构。但是仍然存在以下不足：1.通过光调节单体局域聚合的方法需要单体定向运动和聚合，生长速度极慢(平均速度小于50 nm/s)，耗时长；2.由于基体材料的限制，目前只能制备出低纵横比的表面简单浮雕微图案。因此，亟需寻求一种更直接、更有效的方法来构建面外复杂结构。

近日，中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室和西南科技大学微纳仿生系统与智能化团队合作报道了一种通过飞秒激光诱导自生长在PET/PS双层表面上快速制造蘑菇头凹角结构微柱的方法。凹角结构微柱的生长速度达到了317 μm/s，速度相比较局域光聚合方法提高了6000倍。进一步，研究人员利用制备的蘑菇头凹角结构微柱表面（HRES）实现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与无损运输领域的广泛应用前景。评审人高度评价本工作：认为这项工作非常有趣，因为它提供了一种利用2D激光扫描制备微尺度3D浮雕结构的方法。由于受光的直线传播的限制，激光表面加工技术制备的微结构通常是简单的微柱或微壁。该工作首次实现了蘑菇头凹角结构微柱的飞秒激光制备，扩展了激光加工的加工能力。

图1. 飞秒激光在PET胶带/PS双层表面诱导自生长制备蘑菇头微柱

图2. 飞秒激光诱导蘑菇头微柱的生长机理及工艺参数优化

众所周知，飞秒激光与材料相互作用的热影响区可以被限制在极小范围内，同时随着激光累积扫描可以产生足够高的温度。这一特点有利于实现飞秒激光对热敏聚苯乙烯形状记忆聚合物薄膜（PS）的局部处理。研究人员利用飞秒激光在PET/PS 双层表面上沿着圆路径连续扫描，随着激光扫描次数的增加，当热积累达到PS膜的玻璃化转变温度时，会导致底层PS膜的收缩和生长。但覆盖层PET不能收缩，这样就在短时间内形成了蘑菇头凹角结构微柱。同时研究人员还定量研究了激光加工参数对蘑菇头微柱结构形貌的影响，揭示了蘑菇头微柱自生长机理，实现了对蘑菇头微柱结构形貌的精准调控。

图3. 蘑菇头微柱阵列表面的润湿性

图4. 基于蘑菇型微柱表面的油滴操控与无损运输

在优化激光加工参数后，制备的蘑菇头微柱阵列表面对不同低表面能液体展现出优异的超疏液性能。研究人员还利用可编程激光技术制备了不同高度蘑菇头微柱阵列，实现对油滴如橄榄油的定向无损运输和操控。此外，由于HRES具有高柔韧性，可以很容易地转移到几乎任何弯曲的基底上，且其超疏油性不受影响。该研究为制备柔性超疏液表面开辟了新的途径，为微制造、微流体、微反应器工程和可穿戴防污电子器件等领域提供了新的思路。

研究成果以题为“Femtosecond Laser Regulated Ultrafast Growth of Mushroom-Like Architecture for Oil Repellency and Manipulation”发表在国际著名期刊Nano Letters上。

中国科学技术大学博士生杨益和博士后研究员张亚超为共同一作，通讯作者为中国科学技术大学胡衍雷教授、吴东教授和西南科技大学李国强教授。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务经费等项目的支持。


原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c03506