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高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum仿生功能表面微结构的超快激光制备与应用研究周明（江苏大学材料科学与工程学院）摘要:生物经过亿万年的进化，表现出了功能的多样性，其功能对人类具有重要的借鉴意义。已有研究表明，生物体所特有的功能在很大程度上与表面尤其是表面的微结构有着密切的关系。生物体表面微结构的仿生制备在微电子、国防、生物材料、汽车、先进农业机械等高技术领域具有重要的意义。本文针对功能微结构表面对流体介质、光以及生物体的特殊作用，介绍了我们在功能表面微结构仿生激光制备技术方面开展的研究工作及其在流体力学、光学以及生物学领域的应用进展。关键词:激光；功能表面；微纳结构；仿生；外场；介质。1.引言生物经过亿万年的进化，表现出了功能的多样性，其功能对于人类具有重要的借鉴意义，可以说，目前为止绝大部分人造产品都是生物体及其功能的仿制和延伸。近年来，在学术界重新提出了仿生的观念，强调了仿生的重要性，从根源上解决了创新。在仿生研究方面，涌现出了不少的重要科技成果，如仿荷叶表面超疏水的研究、仿壁虎脚超强黏附脱附功能的研究、仿鲨鱼鳞片的表面减阻性能研究以及仿贝壳的超高力学性能材料。仿生将成为人类发展的现实的自然根源。表面的仿生制备对于科学和工程技术的发展起着重要的作用。诺贝尔奖获得者保利曾说过：上帝制造了固体，但表面是魔鬼的杰作！表面的多样性尤其是表面微结构的多样性使得表面具有不同的功能。在自然界中，荷叶表面、稻叶表面等表面具有超疏水性能；鲨鱼鳞片构成的表面具有一定的减阻性能；蝴蝶翅膀表面的微结构使翅膀具有色彩斑斓的的特点。以上的这些例子，都是表面不同的微结构形式作用的结果。尤其是进入21世纪以后，人类面临的能源危机、环境污染问题日益突出，仿生功能表面微结构的研究已经成为国内外许多学科领域的研究热点。生产的迅速发展及其技术竞争造成了大量表面功能结构技术需求和科学问题的产生。目前表面功能结构研究已从局部工艺性的加工技术研究逐步发展到多学科交叉的整体性设计、制造科学基础问题及其关键技术研究，且成为微电子、国防、生物材料、汽车、先进农业机械等高技术领域进一步提高设备和产品性能的关键所在。表面功能结构设计和制造对其它领域具有巨大影响和渗透作用，也是制造高性能设备和产品的关键技术之一。基于本课题组所开展的工作，本文总结了功能微结构表面的仿生制备及其在表面-液体作用、表面光学和表面生物学方面的应用的研究进展。2.关于仿生功能表面的研究进展2.1超疏水自洁表面结构表面的浸润性是决定材料应用的一种重要性质，它是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的，许多物理化学过程如吸附、润滑、粘合、分散和摩擦等均与表面的浸润性密切相关。润湿性包括两个方面，即亲水性和疏水性，而具有大接触角（CA150°）的表面的疏水性能受到广泛的关注。德国波恩大学的Barthlott博士、中科院化学所的徐坚研究员分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起。这些肉眼看不见的小颗粒，正是荷叶具有自洁效应的成因。水珠从荷叶上滚落，可以清除其上吸附的灰尘颗粒，这便是荷叶的“自清洁效应”。近年来，由于受到来自荷叶效应的灵感，具有超疏水功能的微结构化仿生表面在各种人造表面（如汽车、建筑物墙面、衣物等）以及纺织、微流体传输、医学器械、石油化工、其他功能微器件等领域得到广泛的技术应用。本课题组在超疏水表面的制备方面开展了一定的工作。根据前人的工作，通过化学气相沉积法制备出具有纳米尺度结构的氧化锌薄膜。如图1所示，两种不同结构的氧化锌薄膜都呈现出超疏水性，接触角远大于150°，甚至接近170°。CA=168.2°CA=156.3°图1.用化学气相沉积法制备超疏水氧化锌薄膜根据Cassie和Wenzel的超疏水理论，微结构表面的疏水性与表面结构密切相关。而通过以上的化学气相沉积法制备的结构可控性较差，难以得到结构与疏水性能之间的关系。为此，我们通过飞秒激光直写加工方法图2.钛基方柱阵列微结构对钛基微结构表面进行了润湿性能测试，研磨抛光后未进行微结构加工的钛片表面清洗后与水的接触角为θ=113.04°(对其进行五次实验测量取平均值)，原始数据处理后得到的表观接触角和滚落角实验测量值θ‘和α以及计算得到的Wenzel模式和Cassie模WC式下的理论预测值θ和θ在表1中列出，其rr中a为制备的方柱边长，b为方柱间间距。可以看出，通过激光加工的规则钛微结构阵列表面具有超疏水性能，而且，随着方柱间间距增大，表面的超疏水性能增强。e在金属钛表面加工出具有规则形貌的微结构，加工出的微结构如图2所示。图中可以看到微结构形貌相对比较规则，周期性较好，但是在凹槽内有纵向排列的微小脊状突起，使得凹槽及方柱的轮廓不够分明，这可能是由于激光能量分布不均匀引起的。表1钛基方柱阵列微结构样品的超疏水性能及其稳定性实验测量与理论计算结果。2.2超疏水减阻表面结构超疏水表面不仅能使液体在其表面上具有较小的接触面积和界面张力，还能使在其表面上流动的液体受到较小的流动阻力。KEIZOWATANABE等人通过测量具有裂纹结构表面上液体流动的阻力情况，发现了表面粗糙度和表面缺陷对减阻效果具有积极的影响。他们所采用的表面和对其测量得到的减阻效果如图3所示。可以看见，在作者的测量条件下，这种缺陷表面对于流体流动的减阻效果可以达到14%以上。图3具有较好减阻效果的表面缺陷142009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）15高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum仿生功能表面微结构的超快激光制备与应用研究周明（江苏大学材料科学与工程学院）摘要:生物经过亿万年的进化，表现出了功能的多样性，其功能对人类具有重要的借鉴意义。已有研究表明，生物体所特有的功能在很大程度上与表面尤其是表面的微结构有着密切的关系。生物体表面微结构的仿生制备在微电子、国防、生物材料、汽车、先进农业机械等高技术领域具有重要的意义。本文针对功能微结构表面对流体介质、光以及生物体的特殊作用，介绍了我们在功能表面微结构仿生激光制备技术方面开展的研究工作及其在流体力学、光学以及生物学领域的应用进展。关键词:激光；功能表面；微纳结构；仿生；外场；介质。1.引言生物经过亿万年的进化，表现出了功能的多样性，其功能对于人类具有重要的借鉴意义，可以说，目前为止绝大部分人造产品都是生物体及其功能的仿制和延伸。近年来，在学术界重新提出了仿生的观念，强调了仿生的重要性，从根源上解决了创新。在仿生研究方面，涌现出了不少的重要科技成果，如仿荷叶表面超疏水的研究、仿壁虎脚超强黏附脱附功能的研究、仿鲨鱼鳞片的表面减阻性能研究以及仿贝壳的超高力学性能材料。仿生将成为人类发展的现实的自然根源。表面的仿生制备对于科学和工程技术的发展起着重要的作用。诺贝尔奖获得者保利曾说过：上帝制造了固体，但表面是魔鬼的杰作！表面的多样性尤其是表面微结构的多样性使得表面具有不同的功能。在自然界中，荷叶表面、稻叶表面等表面具有超疏水性能；鲨鱼鳞片构成的表面具有一定的减阻性能；蝴蝶翅膀表面的微结构使翅膀具有色彩斑斓的的特点。以上的这些例子，都是表面不同的微结构形式作用的结果。尤其是进入21世纪以后，人类面临的能源危机、环境污染问题日益突出，仿生功能表面微结构的研究已经成为国内外许多学科领域的研究热点。生产的迅速发展及其技术竞争造成了大量表面功能结构技术需求和科学问题的产生。目前表面功能结构研究已从局部工艺性的加工技术研究逐步发展到多学科交叉的整体性设计、制造科学基础问题及其关键技术研究，且成为微电子、国防、生物材料、汽车、先进农业机械等高技术领域进一步提高设备和产品性能的关键所在。表面功能结构设计和制造对其它领域具有巨大影响和渗透作用，也是制造高性能设备和产品的关键技术之一。基于本课题组所开展的工作，本文总结了功能微结构表面的仿生制备及其在表面-液体作用、表面光学和表面生物学方面的应用的研究进展。2.关于仿生功能表面的研究进展2.1超疏水自洁表面结构表面的浸润性是决定材料应用的一种重要性质，它是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的，许多物理化学过程如吸附、润滑、粘合、分散和摩擦等均与表面的浸润性密切相关。润湿性包括两个方面，即亲水性和疏水性，而具有大接触角（CA150°）的表面的疏水性能受到广泛的关注。德国波恩大学的Barthlott博士、中科院化学所的徐坚研究员分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起。这些肉眼看不见的小颗粒，正是荷叶具有自洁效应的成因。水珠从荷叶上滚落，可以清除其上吸附的灰尘颗粒，这便是荷叶的“自清洁效应”。近年来，由于受到来自荷叶效应的灵感，具有超疏水功能的微结构化仿生表面在各种人造表面（如汽车、建筑物墙面、衣物等）以及纺织、微流体传输、医学器械、石油化工、其他功能微器件等领域得到广泛的技术应用。本课题组在超疏水表面的制备方面开展了一定的工作。根据前人的工作，通过化学气相沉积法制备出具有纳米尺度结构的氧化锌薄膜。如图1所示，两种不同结构的氧化锌薄膜都呈现出超疏水性，接触角远大于150°，甚至接近170°。CA=168.2°CA=156.3°图1.用化学气相沉积法制备超疏水氧化锌薄膜根据Cassie和Wenzel的超疏水理论，微结构表面的疏水性与表面结构密切相关。而通过以上的化学气相沉积法制备的结构可控性较差，难以得到结构与疏水性能之间的关系。为此，我们通过飞秒激光直写加工方法图2.钛基方柱阵列微结构对钛基微结构表面进行了润湿性能测试，研磨抛光后未进行微结构加工的钛片表面清洗后与水的接触角为θ=113.04°(对其进行五次实验测量取平均值)，原始数据处理后得到的表观接触角和滚落角实验测量值θ‘和α以及计算得到的Wenzel模式和Cassie模WC式下的理论预测值θ和θ在表1中列出，其rr中a为制备的方柱边长，b为方柱间间距。可以看出，通过激光加工的规则钛微结构阵列表面具有超疏水性能，而且，随着方柱间间距增大，表面的超疏水性能增强。e在金属钛表面加工出具有规则形貌的微结构，加工出的微结构如图2所示。图中可以看到微结构形貌相对比较规则，周期性较好，但是在凹槽内有纵向排列的微小脊状突起，使得凹槽及方柱的轮廓不够分明，这可能是由于激光能量分布不均匀引起的。表1钛基方柱阵列微结构样品的超疏水性能及其稳定性实验测量与理论计算结果。2.2超疏水减阻表面结构超疏水表面不仅能使液体在其表面上具有较小的接触面积和界面张力，还能使在其表面上流动的液体受到较小的流动阻力。KEIZOWATANABE等人通过测量具有裂纹结构表面上液体流动的阻力情况，发现了表面粗糙度和表面缺陷对减阻效果具有积极的影响。他们所采用的表面和对其测量得到的减阻效果如图3所示。可以看见，在作者的测量条件下，这种缺陷表面对于流体流动的减阻效果可以达到14%以上。图3具有较好减阻效果的表面缺陷142009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）2009年第6卷第3期（总第30期）15一般认为，液体在微结构表面上流动时受到的摩擦力降低是液体在微结构间隙部分与气体接触所导致的，这种气液接触的界面使得部分界面为自由剪切界面，承受较小的摩擦力。如图4所示为微结构表面的减阻原理。据此，本课题组制备了部分超疏水微结构表面，并采用流变仪测试系统测试了这些表面的滑移减阻性能。图4微结构表面流体减阻机理图5所示为我们制备的超疏水表面及其滑移减阻的测量结果。图5（a）为通过飞秒激光在K9玻璃表面制备的周期为150μm的光栅微结构表面，该表面的接触角高达157°，具有超疏水性能，采用一定浓度的甘油对其减阻效果进行测量，得到高达147%的减阻效果。图5（b）为通过化学气相沉积法制备的针状ZnO微结构表面，该表面具有超疏水性能，对流体亦具有较好的减阻性能，采用70wt%的