气泡|飞秒激光直写超疏水表面微通道的水下气体自输运及操控应用( 二 )

超短脉冲宽度和超高峰值功率两大特点使飞秒激光成为了现代极端精密制造领域的重要工具之一。飞秒激光微加工具有空间分辨率高、热影响区域小、非接触式制造等特点。特别地，飞秒激光可以烧蚀任何给定材料，能够在材料表面直接形成微纳米结构。由于表面微结构对固体材料的浸润性有重要影响，飞秒激光在设计和改性材料的浸润性方面也显示出强大的能力。在本文中，陈烽教授等人发现了水下气体沿飞秒激光直写的超疏水微通道自输运的现象。
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最新进展
将飞秒激光聚焦于疏水材料（如聚四氟乙烯（PTFE））表面上（图2），可以很容易在材料表面上直写出一些沟槽结构（图3）。沟槽的内壁上分布着激光诱导的微纳米复合结构。这些微纳米结构（图4a-c）具有超疏水的特性（图4d-h），也即水不能润湿激光诱导的微结构。但在水下，气泡可以在激光处理表面上铺展开，显示超亲气性（图4i，图5）。

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图2 飞秒激光直写开放微通道示意图。（a）飞秒激光微加工系统；（b）激光直写方式；（c）微沟槽形成机理

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图3 不同扫描间距(Λ)下飞秒激光在PTFE表面上所制备沟槽结构的横断面电镜图

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图4 飞秒激光诱导微纳复合结构的超疏水性和水下超亲气性。（a-c）激光诱导的微纳结构的电镜图；（d,e）水滴在所制备微结构上保持球形；（f）在水下，激光作用区域反射银镜似的光；（g）水滴在所制备表面上滚动；（h）水滴在所制备表面上反弹起；（i）在水下，气泡在激光处理表面上铺展开
图5 飞秒激光制备微纳结构的超疏水性和水下超亲气性的形成机理。（a）水滴在微结构上处于Cassie接触状态；（b）浸入水中后，在材料表面形成空气层；（c,d）水下气泡沿表面微纳结构铺展开
由于飞秒激光制备的微沟槽结构的内壁具有超疏水微纳米结构，当将样品浸入水中时，沟槽结构不会被水浸润。因而会在样品表面与水环境之间形成闭合的中空微通道。通道的宽度取决于激光诱导沟槽的宽度（小于100 μm）。气体可以沿该水下通道自由流动。因而，该微通道可以用来传输气体。如果利用这种激光直写的表面微通道将不同大小的超疏水区域连接起来。研究发现，水下气体会自发地从小区域定向传送到大区域（图6，图7）。该气体输运过程不但具有定向性，而且是自发进行的，无需施加任何外力。超疏水微通道内气体的自输运是不同区域内气体Laplace压力差驱动的。
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图6 沿飞秒激光制备的超疏水表面微沟槽的水下自发气体输运。（a）气体沿微通道从小气泡传输到大气泡的原理图；（b）飞秒激光制备的微沟槽连接三个不同超疏水圆形区域示意图。圆形区域直径从左到右分别为2 mm, 4 mm, 6 mm；（c）气体自发输运示意图；（d）释放气泡到中间圆形区域后，各圆形区域的变化；（e）持续释放气泡，最大圆形区域处气体的积累

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图7（a）当最小圆形超疏水区域处于中间位置时，气体的输运情况；（b）当最大圆形超疏水区域处于中间位置时，气体的输运情况
与材料内部的微通道相比，制备开放的超疏水微沟槽更为直接和方便。微流控技术被我们所熟知，也已经得到了广泛的实际应用。类似微流控技术，超疏水微沟槽上的水下气体自输运性也可用以实现“气流控（aerofluidics）”，其主要目的是在微尺度上操控气体和流体并利用它们的相互作用来创建高度通用的系统。气流控将在微分析、生物医学工程、传感器等领域具有开拓性的应用。除了在PTFE表面上制备的开放超疏水微沟槽结构，穿透PTFE薄膜的微孔结构也对水下气体的输运有重要的影响。基于飞秒激光微加工技术，作者在PTFE膜上制备了漏斗状的微穿孔阵列（图8a-h）。每一个穿孔的制备包括三步：激光焦点减速前进，停留，加速前进。在水下，当漏斗状微孔结构的较大口向上放置时，上浮气泡能够从下表面到上表面穿过该多孔膜(图8i-k，图9a-c)。相反，当大口向下放置时，上浮气泡无法穿过多孔膜，全部气泡会被拦截在膜的下部（图8l-n，图9d,e）。因此，水下气泡只被允许单向地穿过所制备的多孔膜。这是飞秒激光制备的漏斗状微穿孔的不对称形貌和特殊表面浸润性共同作用的结果。