超快激光方法制备大面积多功能表面的基础研究

Multi-scale surface structure can produce diversiform functions in nature. At present, intensive study on the single-functional surface has been performed. However, the theory and design of multi-functional surface are still very rare. On the aspect of artificial surface manufacturing, laser processing is a high efficiency, controllable and green material processing method, which doesn't involve complicated chemical process. Laser direct writing method is difficult for large area functional surface manufacturing due to its time-consuming and low efficiency; Laser interference lithography can only produce periodic structure with specified morphologies and non- tunable. Based on these problems, this project proposed a method for preparation of large area multi-function surface by combining the both laser approaches. The main research contents include: 1. Research on the mechanism of micro/nano surface structure on the corresponding functions, based on which, design and optimize the multi-functional surface; 2. Analyze the geometry of a variety of functional surfaces, choose the suitable laser processing parameters; 3. Establish the dynamics equation, and finally manufacture large area multi-functional surfaces. The design of multi-functional surface and the fabrication method of combining the laser direct-writing and laser interference lithography are both theoretically and practically novel, which have significant academic importance and industrialization prospect.

多尺度的表面微纳米结构可以产生多样化的功能。目前对单一功能表面的仿生理论研究已比较广泛，但是对同一表面集成多种功能的表面机理研究和优化设计还很少。在制备方面，激光加工方法不涉及复杂的化学工艺过程，具有高精密和高可控性的优点。然而，激光单点直写耗时长、效率低，难于实现大面积批量化制造；激光干涉方法加工面积大，但仅能加工特定形貌的周期性结构，可调谐性差。针对这些问题，本项目提出利用超快激光直写和干涉加工相结合的方法制备多功能表面，主要内容包括：研究微纳米表面结构与相应功能的映射关系，在此基础上进行多功能表面的优化设计；分析多种功能结构的几何特征，选择合适的激光加工工艺；研究脉冲激光光电场对材料的作用机制，建立加工过程的动力学方程，实现大面积多功能表面的高效率制备。本项目提出的多功能表面设计和多样化超快激光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。

在自然界中这种微纳米结构形成的功能表面无处不在。以仿生工程的眼光对自然界中各种各样的表面进行结构和功能研究制造是目前重要的研究手段之一。功能表面的设计和加工对于医疗、能源等领域的发展都有着重要的意义。本项目以超快激光为主要技术手段研究多尺度的表面微纳米结构形成机理和制备工艺。主要研究内容包括：研究微纳米表面结构与相应功能的映射关系，进行多功能表面的优化设计；分析多种功能结构的几何特征，根据脉冲激光光电场对材料的作用机制研究和优化激光加工工艺；实现大面积多功能表面的高效率制备。在项目开展期间，搭建了大面积飞秒激光直写加工系统，利用放大级飞秒激光和扫描振镜可实现材料的高速扫描加工；搭建了纳米激光干涉加工系统，可实现材料的大面积干涉加工。对多种金属（不锈钢、镍、铝）表面进行激光加工，实现了大面积的仿生结构色表面；研究了表面周期性微纳结构与激光波长、偏振等参数的依赖关系；探索了结构与颜色的功能映射关系；制备了既具有自清洁功能又具有表面陷光功能的多功能表面；实现了从激光工艺，到表面结构，再到宏观功能的逐级调控；在聚合物（PDMS、聚苯乙烯）和金属（铝、钛）表面进行激光结构化，研究了表面结构对润湿性影响；实现了可调谐的润湿特性表面（从超疏水到超亲水）；通过改变激光加工照射方向，实现了各向异性的表面润湿功能和液滴定向运输；结合激光加工和化学修饰，实现了高效率油水分离功能铝膜；利用飞秒激光全息直写技术，完善了结构光场生成和调控的机理；实现了微管阵列结构和大面积手性结构的高效制备；探索了其在生物医学、微纳驱动和微纳光学等方面的应用。本项目为多功能表面设计和多样化超快激光加工在理论和技术上奠定了基础，具有较重要的学术价值和良好的产业化前景。