西安交大陈烽教授团队CEJ：制备出一种灵活控制固体表面气泡粘附性的形状记忆聚合物微纳米图案结构表面

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近年来，在液相中对于气泡有着特殊润湿性的固体表面被大量研究，能够控制气泡在固体表面的润湿性行为成为了研究热点之一，气泡与固体表面的相互作用在微流控、水下微反应器、水下气体收集与分离等新技术的开发和应用中有着广阔的应用前景。目前对于水下气泡在固体表面的操控主要受到三种驱动力的影响：气泡自身浮力、外部牵引力（如拉普拉斯力、表面张力、电场力、磁场力等）和气/固粘滞力。其中气/固之间粘滞力是影响气泡行为的直接原因，粘滞力的调控主要受到固体表面的微结构和化学成分的影响。自然界中玫瑰花瓣表面具有稳定钉扎效应，鱼鳞表面具有抗气泡粘附效应，将两种表面相结合，能够制备一种灵活控制固体表面气泡粘附性的微纳米图案结构表面。

飞秒激光刻蚀已被证明是构造多级复合表面并进行润湿性调控的有效手段。陈烽教授领导的飞秒激光仿生微纳制造团队通过飞秒激光微加工的方法在热响应的形状记忆材料（SMP）上一步刻蚀了一种周期方形图案阵列，由周期的方形粗糙微纳米结构区域和未加工平滑区域组成。6μL的气泡在平滑的SMP表面上的接触角为118°，粘滞性极高。飞秒激光烧蚀后的SMP表面由微米突触和纳米颗粒共同构成，表面粗糙结构放大了原本的润湿性特性，相同体积的气泡在表面的接触角增大为160°，并且在倾斜3°的表面上极易滚落，具有水下气泡极低粘滞性。

图1. 飞秒激光构建周期方形阵列图案

图2. 气泡在原始平滑SMP表面和飞秒激光刻蚀后的粗糙SMP表面的粘滞性

通过调节加工区域宽度和相互间隔距离，水下气泡在SMP表面的粘滞性能够在极低和极高之间调节，且理论上方形周期阵列图案调节气泡粘滞性的方法适用于所有水下本征疏气固体表面。根据粘滞力的不同，将气泡与固体表面之间的粘附作用分为极低、低、高和极高四个状态。其中低粘滞状态的SMP表面可以被用作水下机械手，将气泡从极低粘滞表面向高粘滞和极高粘滞的表面进行无损转移，而不受空间和角度的限制；高粘滞表面可以用来自由制备微米气泡图案阵列。

图3. 四种表面气泡粘滞性定义

图4. 利用不同粘滞性表面构成水下气泡自由转移系统

图5. 在SMP表面实现的不同微米气泡的阵列图案

SMP是一种能够在临时橡胶态和原始玻璃态之间相互转化的聚合物，利用这一形状记忆特性，作者进一步基于微结构的可逆转变来控制表面润湿性的重复性调制。采用飞秒激光一步刻蚀法在SMP表面上构筑了微锥周期阵列结构，周期约为130μm，高度约为50μm。构筑的微米级的锥状结构表面覆盖着丰富的纳米突起，赋予了样片表面足够的粗糙度。初始状态时，气泡只能接触到微锥结构的顶端，表面呈现出了低粘滞超疏气泡特性；随后将样片放入60℃热水中转相后按压处理，微锥结构顶端统一向一侧倾斜，同时将纳米级的突出结构压平，呈现比较光滑的表面，气泡滚动角增加，表面转变为较高粘滞性；再一次放入热水中后，微锥结构重新恢复，表面润湿性也重新恢复到原本的低粘滞性。

图6. 按压—加热处理实现SMP表面气泡粘滞性可逆转换

该研究成果为水下微反应器、水下气泡定位释放、药物运输、气泡掩模等应用提供了思路。

该研究成果以“How to Adjust Bubble’s Adhesion on Solid in Aqueous Media: Femtosecond Laser-Ablated Patterned Shape-Memory Polymer Surfaces to Achieve Bubble Multi-Manipulation”为题发表于Chemical Engineering Journal期刊上。西安交通大学电信学部霍静岚博士为该论文第一作者，西安交通大学陈烽教授和杨青教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、以及机械制造与系统工程国家重点实验室和微纳制造与测试技术国际合作联合实验室的资助与支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721002928

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