飞秒激光加工环境对仿生超疏水表面润湿性的影响 | MDPI Nanomaterials
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引 言
来自法国摩擦学和系统动力学实验室的 Salomé Basset 及其团队在 Nanomaterials 上发表了一篇论文，旨在研究润湿行为随时间和化学环境函数的变化。作者进行了两种类型的纹理设计——微米方形柱的激光纹理加工，以及使用各种能量照射其顶部以获得纳米尺度上不同形貌微米方形柱的激光纹理加工。在这两种情况下，作者都考虑了两种激光环境，即二氧化碳流和环境空气。
结果表明，激光纹理加工 250 天后，无论环境如何，稳态接触角 (Steady-State Contact Angles, SSCA) 都高于 130°。此外，通过比较随时间推移进行润湿的表面和 250 天未受干扰的表面，可以观察到在表面不稳定时进行润湿测量会导致液滴行为发生重大变化。最后，使用二氧化碳流并不能帮助达到更高的 SSCA，但它可以限制定期湿润测量的效果。
研究过程与结果
飞秒激光纹理加工工艺
作者使用飞秒激光器对样品进行纹理处理，获得了高度 20 μm、宽度 10 μm、凹槽宽度为 20 μm 的微米方形柱 (图 1a)。对于一些样品，作者使用了不同的光通量照射方形柱子的顶部 (图 1b)，其中一半样品在环境空气中进行织构，另一半样品在恒定的二氧化碳流量下进行织构，以研究环境对激光过程和润湿行为的影响。
图 1. (a) 微米方柱的纹理加工过程；(b) 对其顶部进行辐照。
纹理加工环境对形貌的影响
当方形柱子的顶部未受到照射时，整个表面被波纹覆盖 (图2A, E)；当以 0.50 J/cm2 照射方形柱子的顶部时 (图 2B, F)，可以看到光滑区域；当光通量增加时，这些较光滑的区域逐渐扩大 (图 2C, G)，直到在 10.1 J/cm2 时几乎没有发现波纹 (图 2D, H)。随着通量的增加，熔融物质的沉积显得更加混乱，并将波纹的纳米级粗糙度转变为微观粗糙度。
图 2. 样品在环境空气中或二氧化碳流下的 SEM 图。(A~D) 在环境空气中；(E~H) 在二氧化碳流下。
纹理加工环境对形貌的影响
为研究纹理环境对亲水性演变的依赖性，作者在激光加工后对所有样品进行了 250 多天的稳态接触角测量。结果表明，对于未照射方柱顶部的样品，纹理环境对润湿演变的影响更大 (图 3)。当激光束以不同的光通量照射微米方形柱的顶部时，无论激光加工环境如何，稳态接触角的变化都非常相似，如图 3 所示。较高的通量导致较小的稳态接触角。
图 3. 在环境空气中或在二氧化碳流下使用不同光通量照射方柱顶部的纹理样品的水接触角随时间的变化。
定期润湿测量对稳态接触角和滞后的影响
作者还研究了定期润湿测量对稳态接触角和滞后的影响。结果表明，当不定期测量接触角时，无论样品是在环境空气中还是在恒定的二氧化碳下，稳态接触角都是相同的 (图 4)。此外，当样品在环境空气中被织构后定期测量的稳态接触角大约有 23° 的显著差异。当样品在二氧化碳流下进行纹理处理时，这一差异降至 7°，表明二氧化碳流具有积极的影响，并将定期湿润测量的影响降至最低。因此，使用二氧化碳激光加工过程中的流动不会导致更高的稳态接触角。
图 4. 样品在环境空气中或在二氧化碳流动下的稳态接触角。
总结讨论
在这项工作中，作者用飞秒激光在两种不同的环境中生成了微米级的方形柱子，即环境空气和二氧化碳流。研究结果表明，环境对柱子的尺寸没有影响，而光通量是影响纳米尺寸的主要因素，因为发现了更平滑的区域和更少的波纹。润湿测量进行 250 余天表明，环境对方形支柱顶部没有被辐照的样品有影响。此外，作者还研究了定期润湿测量对最终润湿性的影响。结果表明，在表面不稳定的情况下进行常规的润湿测量，会因为水的解离性吸附而极大地改变表面的润湿行为。最后，在二氧化碳流下进行纹理处理并不能帮助达到更高的稳态接触角，而是限制了定期润湿测量的效果。
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原文出自 Nanomaterials 期刊
Basset, S.; Heisbourg, G.; Pascale-Hamri, A.; Benayoun, S.; Valette, S. Effect of Texturing Environment on Wetting of Biomimetic Superhydrophobic Surfaces Designed by Femtosecond Laser Texturing. Nanomaterials 2022, 12, 3099.
Nanomaterials 期刊介绍
主编：
Shirley Chiang, University of California Davis, USA
期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。
2021 Impact Factor | 5.719 |
2021 CiteScore | 6.6 |
Time to First Decision | 15.4 Days |
Time to Publication | 33 Days |
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