水幾乎影響著人類文明的方方面面，控制水的行為正日益成為一項(xiàng)緊迫的科學(xué)與工程挑戰(zhàn)。例如，雖然地球表面的 71% 被水覆蓋，但是淡水資源的短缺卻是一個(gè)日益嚴(yán)峻的全球性問題，影響著全球超過 7 億人口。另一方面，水和水蒸氣經(jīng)常出現(xiàn)在人們不希望它們出現(xiàn)的地方，這既包括洪水泛濫，也涵蓋一些小麻煩，比如汽車擋風(fēng)玻璃起霧或是電子設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的冷凝現(xiàn)象。

科學(xué)家們?cè)缇鸵庾R(shí)到，自然界中的一些表面具有控制水的能力。例如，荷葉和玫瑰花瓣都能強(qiáng)力疏水，使水在其表面形成水珠。有多種植物的表面甚至一些動(dòng)物的體表或皮膚，水在上面極易鋪展；人類眼角膜能讓淚水均勻地在其表面鋪展，從而保持良好的視力并保護(hù)眼睛免受碎屑侵害。

對(duì)這些表面的分析表明，它們控制水的能力通常源于兩個(gè)因素。首先是表面化學(xué)性質(zhì)，這意味著表面分子的存在，基于其表面能，這些分子固有親水（吸引水）或疏水（排斥水）的特性。

其次是表面形狀（形態(tài)），尤其是極其微小尺度的表面結(jié)構(gòu)。最為關(guān)鍵的是，這些相同的結(jié)構(gòu)會(huì)放大已有的任何表面特性，無論是親水特性還是疏水特性。

“接觸角”是用于量化表面潤(rùn)濕性的關(guān)鍵參數(shù)，它被定義為在接觸點(diǎn)處水滴表面切線與固體表面本身之間的夾角。低接觸角（< 90°）意味著液體極易鋪展（親水）；接觸角大于 90° 則表明液體會(huì)聚集成珠，在表面形成水滴（疏水）；接觸角恰好為 90°，對(duì)應(yīng)半球形水滴，表明處于中性潤(rùn)濕狀態(tài)。

Hydrophobic Surface: 疏水表面

Contact Angle (ϴ)＞ 90°：接觸角 (ϴ) > 90°

Surface: 表面

Water droplet: 水滴

Hydrophilic Surface: 親水表面

Contact Angle (ϴ) < 90°: 接觸角 (ϴ) < 90°

水與表面相互作用的最極端狀態(tài)，被稱為超疏水和超親水。超疏水表面通常意味著接觸角大于 150°；而超親水表面的接觸角小于 10°，通常接近 0°。超親水表面上的水幾乎瞬間鋪展，形成薄膜而非離散的水滴。

向自然學(xué)習(xí)

奧地利福拉貝爾格應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（位于奧地利多恩比恩）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，一直在致力于理解并開發(fā)用于控水的仿生表面（即模仿大自然的“設(shè)計(jì)”的表面）。例如，該團(tuán)隊(duì)分析了在納米比沙漠甲蟲（Namib Desert Beetle）身上發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特的圖案化微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)使這種甲蟲能夠從霧中收集水分，而在其所處的極度干旱的環(huán)境中，霧幾乎是唯一可靠的水源。

甲蟲 “吸食霧氣”的能力，源于其鞘翅（硬化的前翅）上的超親水和超疏水區(qū)域的組合。為了利用這些特性，甲蟲會(huì)朝著襲來的霧氣傾斜身體，水滴便會(huì)在其超親水的凸起處形成。水滴不斷聚合并變大，直至因重力作用而脫離。隨后，一系列超疏水凹槽會(huì)將水引入甲蟲口中。

福拉爾貝格應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的研究人員，對(duì)甲蟲鞘翅的形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。他們證實(shí)了其他研究人員此前獲得的結(jié)果，即表面潤(rùn)濕性會(huì)因“雙層次結(jié)構(gòu)”的存在而受到極大影響。這些結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)空間頻率顯著不同的特征，例如微米級(jí)特征和納米級(jí)特征。微米級(jí)特征負(fù)責(zé)引導(dǎo)水流，而納米級(jí)特征能增強(qiáng)表面能。它們共同提高了毛細(xì)管作用的效率，促進(jìn)了水在表面的傳輸。

福拉爾貝格團(tuán)隊(duì)采用一種基于激光的三步制造法，模擬了納米比沙漠甲蟲身上的圖案。第一步，使用Spectra-Physics Spirit One 飛秒激光器在派熱克斯玻璃（Pyrex）晶片表面制造雙層次圖案，這將原本親水的派熱克斯玻璃表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌�親水表面。

第二步，在該表面上沉積一種類似特氟龍（聚四氟乙烯）的聚合物。在激光結(jié)構(gòu)化區(qū)域上方添加這種低表面能材料，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌�疏水表面�?/span>

第三步，再次使用飛秒激光器僅在選定區(qū)域去除涂層，從而制造出所需的交替的超親水和超疏水區(qū)域圖案。

圖2：在派熱克斯玻璃晶片上制造超親水和超疏水區(qū)域圖案的過程，以及成品部件上水滴的照片。

A

Hypdrophilic substrate: 親水基底

B

Microsacles ridges covered with nanoscale LIPSS: 覆蓋著納米級(jí)激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu) (LIPSS) 的微米脊

Focused laser beam: 聚焦的激光束

Femtosecond laser patterning transforms it to superhydrophilic: 通過飛秒激光圖案化將親水基底變成超親水基底

C

A hydrophobic coating applied over the pattern makes it superyhydrophobic: 在圖案上施加一層疏水涂層，使其具有超疏水性

D

selection coating ablation with the femtosecond laser enables precise water control: 用飛秒激光器進(jìn)行選擇性涂層燒蝕，實(shí)現(xiàn)水的精細(xì)控制

飛秒激光圖案化

有多種方法可用于制造所謂的雙層次微觀結(jié)構(gòu)，比如化學(xué)蝕刻和在微觀結(jié)構(gòu)上沉積納米球等。相較于其他所有技術(shù)，飛秒激光加工具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，這正是福拉爾貝格團(tuán)隊(duì)選擇飛秒激光加工的原因。例如，激光加工無需掩模，幾乎可以創(chuàng)建任何圖案，并且無需大量工具或復(fù)雜設(shè)置，這加快了研究進(jìn)程并將成本降至最低。

但最為重要的是，飛秒激光器具備一種獨(dú)特的能力，即能夠在單一步驟中創(chuàng)建雙層次表面結(jié)構(gòu)。具體而言，飛秒激光器的高峰值功率水平可以最大程度地減少熱擴(kuò)散，并引發(fā)非線性吸收效應(yīng)（在某些情況下包括多光子電離），從而能夠形成激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。LIPSS 是周期性的納米級(jí)特征（通常比激光波長(zhǎng)本身還�。�，其在特定條件下的飛秒激光燒蝕過程中會(huì)自發(fā)出現(xiàn)。使用長(zhǎng)脈寬激光器無法創(chuàng)建 LIPSS。

由高峰值功率飛秒脈沖引發(fā)的非線性吸收，還使這些激光器能夠燒蝕幾乎任何材料，包括玻璃等透明或脆性材料，以及鋼鐵和硅（盡管 LIPSS 特征的具體形態(tài)因材料而異），這賦予了該技術(shù)廣泛的適用性。

圖3：由超快激光生成的雙層次表面結(jié)構(gòu)，由寬約 15 µm、高 10 µm 的凸起構(gòu)成，這些凸起覆蓋著周期約為 700 nm 的激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。

在這項(xiàng)特定的研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先使用他們的 Spectra-Physics Spirit One 激光器，在派熱克斯玻璃上燒蝕出凹槽；該激光器被配置為波長(zhǎng) 520 nm 的線偏振輸出，脈沖寬度 380 fs，重復(fù)頻率 200 kHz，能量密度 6.2 J/cm²，聚焦光斑尺寸為 6 µm。在這些條件下，激光被用于制造幾微米到幾十微米寬的凹槽。

這些操作條件還使激光能夠引發(fā) LIPSS 現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)自動(dòng)在凹槽上疊加更小的周期性特征，這些特征的典型尺寸和周期處于亞微米范圍。

在最后一步，同一臺(tái) Spectra-Physics Spirit One 激光器以低得多的能量密度 ——2.1 J/cm² 運(yùn)行，這樣就能做到僅去除薄薄的特氟龍層，而不會(huì)影響先前制造的底層微觀結(jié)構(gòu)。

掌控水

隨后，MKS 公司旗下 Spectra-Physics 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)與福拉爾貝格大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，繼續(xù)開展這些研究�；�于實(shí)驗(yàn)的成功，他們就其在超疏水背景上快速且靈活地制造超親水性微圖案的方法，申請(qǐng)了聯(lián)合專利，該技術(shù)被命名為 ClearSurface。

ClearSurface 的一個(gè)明顯用途是微流體。在微流體領(lǐng)域，控制微量流體的流動(dòng)對(duì)于諸如片上實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）器件、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物遞送系統(tǒng)等眾多應(yīng)用至關(guān)重要。

使用 ClearSurface，可以構(gòu)建錯(cuò)綜復(fù)雜的微通道，將液體精確引導(dǎo)至所需之處。由于圖案所產(chǎn)生的高潤(rùn)濕性梯度，僅靠表面張力就能將水限制在預(yù)先定義的超親水性微通道和儲(chǔ)液器內(nèi)，水無需泵或外力推動(dòng)即可在其中流動(dòng)�；�于激光的 ClearSurface 工藝極具靈活性，該工藝也可應(yīng)用于其他流體。

圖4：在 ClearSurface 技術(shù)中，使用飛秒激光對(duì)玻璃進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化處理（上圖）。特寫鏡頭展示了圖案區(qū)域的邊緣（中圖）。濕潤(rùn)時(shí)，水會(huì)自動(dòng)在整個(gè)圖案上鋪開，并僅靠表面張力被限制在圖案區(qū)域內(nèi)（下圖）。

ClearSurface 技術(shù)的一個(gè)不算新奇的應(yīng)用是用于眼鏡、汽車后視鏡、頭盔面罩和窗戶等產(chǎn)品的防霧技術(shù)。傳統(tǒng)防霧涂層使表面更親水以減少水滴形成，而激光制造的超親水表面會(huì)迫使水更均勻地鋪開，根本不會(huì)形成水滴，并且它還可利用超疏水區(qū)域?qū)⑺�高效地完全排走�?/span>

圖5：透過起霧的玻璃觀察到的景象（左），以及在相同溫度和濕度條件下通過經(jīng) ClearSurface 處理的玻璃觀察到的景象（右）。

英國(guó)詩人塞繆爾·泰勒·柯勒律治在詩歌《古舟子詠》中嘆道：“水啊水，到處都是水，卻沒有一滴能解渴。”這概括了一個(gè)事實(shí)：水無處不在，但并不總是呈現(xiàn)出我們想要的形態(tài)。通過采用飛秒激光加工技術(shù)，我們朝著控制水這種至關(guān)重要且無處不在的物質(zhì)，又邁進(jìn)了一步。

文章信息

本文刊載于 Novus Light Technologies Today

作者：Victor Matylitsky博士，

MKS Inc. 旗下 Spectra-Physics 產(chǎn)品高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理。

轉(zhuǎn)自：MKS光電解決方案

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