液体辅助的飞秒激光微纳加工技术及其仿生水下超疏油应用研究

Underwater superoleophobic surfaces have aroused tremendous interest in academia and industry due to their practical applications in self-cleaning, anti-corrosion, and microfluidic devices and so on. The key element to construct underwater superoleophobic surfaces is hydrophilic materials and hierarchical micro/nano structures. Up to know, a great number of methods have successfully constructed underwater superoleophobic surfaces, however, some of the fabrication techniques are potentially time-consuming, difficult to large-area preparation, complex and costly, etc., which limit the practical applications. To address these existing problems, we propose the preparation of multifunctional underwater superoleophobic surfaces by liquid-assisted femtosecond laser inducing hierarchical micro/nanostructures on flat or curving surfaces. The main research contents consist of: (1) the quantitative relation between the hierarchical micro/nanostructures and the underwater superoleophobicity; (2) the formation mechanism of the femtosecond laser induced micro/nanostructures and the design optimization; (3) the fabrication of multifunctional underwater superoleophobic surfaces and the potential applications; (4) underwater superoleophobic curving surfaces covered by equally distributed micro/nanostructures. The proposed method for fabricating multifunctional underwater superoleophobic surfaces on flat or curving surfaces are both theoretically and practically novel, which have significant academic importance and industrialization prospect.

水下超疏油表面由于其特殊的润湿性能和在自清洁、防腐蚀和微流体系统等方面的潜在应用激发了学术界和工业界的广泛兴趣。人工制备水下超疏油表面的关键在于亲水性的材料和微纳米复合结构。目前制备水下超疏油表面的方法众多，但存在着加工周期长、制备面积小、或加工工艺复杂、或制备成本高等诸多问题严重限制了在工业上的应用。针对存在的问题，我们在本项目中提出了液体辅助的飞秒激光在平面或曲面上大面积诱导多种微纳米复合结构制备多功能水下超疏油表面的方法。本项目的主要研究内容为：（1）表面微纳米复合结构与水下超疏油功能的定量关系研究；（2）飞秒激光诱导材料表面形成微纳米功能结构的机理及优化设计调控；（3）以水下超疏油功能为基础的多功能表面的制备与应用研究；（4）在曲面上制备微纳米结构均匀分布的水下超疏油功能表面。本项目提出的加工方法在理论和技术上均有新意，具有较重要的学术价值和良好的产业化前景。

通过仿生方法构建水下超疏油表面在自清洁、微滴操控、生化反应、防腐蚀和微流体系统等方面的具有巨大的应用价值从而激发了学术界和工业界的广泛兴趣。目前制备水下超疏油的方法主要存在着加工精度差和效率低等缺陷严重限制了其广泛应用。本项目提出了基于液体环境辅助的飞秒激光精密构建表面微纳结构的技术及其功能化应用的研究，主要研究内容为（1）表面微纳结构与超疏水/超疏油机理和规律的探索；（2）飞秒激光光场调控新方法和新机制研究；（3）飞秒激光光场分布与材料表面相互作用机制探究；（4）环境辅助的飞秒激光束聚焦特性及其约束增强效应；（5）飞秒激光调控材料表面微纳结构成形成性规律和机制；（6）表面微纳结构的功能/性能验证和表征。最终发展了飞秒激光三维光场的调制方法和高质量平面光场的生成技术，并基于该技术研究了如水、乙醇、蔗糖和NaOH等特定环境对激光束束缚行为和增强效应。构建了基于超薄铝箔的双梯度微孔阵列，并制备了双面神水雾收集器件，实现了收集效率高达209%的提升，和针对海面上大面积浮油处理及水净化的难题的分离效率高达99.5%以上、分离速率可达15.6m3/(m2h)可多次重复使用的“双面神油桶”的油水分离器件。在钛表面制备了仿生鹅卵石三级结构，实现了精确的润湿特性可逆转换。在钛表面构建了周期阵列结构实现了对钙和磷的高效吸附。在硅表面制备了微锥形阵列和磨牙形阵列实现了水下超疏油特性及其多种操控。在曲面高分子材料表面制备了梯度微孔阵列实现了微油滴的高效定向输运。等等。该项研究为超疏水/超疏油多功能表面的飞秒激光制备方法和机制研究打下良好的基础，在微纳仿生功能表面相关的器件、芯片和系统等方面具有重要的学术价值。