西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构

形状记忆聚合物(Shape memory polymer, SMP)是一类在外界刺激条件下能够在原始形状和临时形状之间相互转化的聚合物材料。由于其优异的形状记忆特性,SMP在柔性电子、生物医学、纺织工业、航天航空等领域有着广泛的应用前景。通过设计合适的表面微纳结构,SMP材料也被用来实现可调超疏水性。SMP表面微结构在形变与恢复状态间的变化会引起材料表面润湿性的可逆转变。

飞秒激光具有超短脉冲宽度和极高峰值功率密度的特点。这些特点使得飞秒激光能够作用几乎所有给定的材料,并且可以通过一步直写加工在这些材料表面上直接构建出各种微纳结构。

近日,西安交通大学陈烽教授领导的飞秒激光仿生微纳制造团队基于飞秒激光直写技术在热响应型SMP表面上构筑出微柱型阵列结构。所制备微结构显示优异的超疏水性。当在外力的作用下,微柱阵列结构发生倾斜变形后,表面的超疏水性会发生下降,对水滴的粘滞性增大。经简单加热处理,SMP的形状记忆特性会使得倾斜的微柱能够恢复到原始的竖立状态。表面润湿性也恢复到最初的极低粘滞性超疏水状态通过多次反复的碾压-加热处理,表面微结构及润湿性能够重复可逆地被调制。Chem.Eng. J., 2020, 383: 123143.)

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:飞秒激光直写技术在SMP上构建超疏水3D微结构的过程。

 

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:碾压-加热处理使微柱阵列在倾斜与竖直状态间可逆转变,实现可调超疏水性。
西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:反复碾压-加热处理过程中SMP分子链结构的变化。

 

作者采用飞秒激光进一步在SMP表面上构筑了微沟槽结构,获得了类似于水稻叶表面的各向异性超疏水性。所制备微沟槽阵列结构不但具有可调的超疏水性,还兼具各向异性润湿性。在初始的SMP沟槽表面上,水滴只能接触到沟槽结构的顶端,展现出低粘滞的超疏水特性。各向异性润湿性使得水滴更倾向于沿着激光构建的微沟槽方向滚动。当碾压处理使得微沟槽结构倾斜向一边后,此时水滴与表面之间的接触面积增大,使该表面转变为高粘滞的超疏水状态。水滴会紧紧粘附在样品表面上而不会滚离。加热处理后,表面微沟槽结构重新恢复到竖立状态,表面润湿性也恢复到原始的低粘滞超疏水性。(Chem. Eng. J.,2020,400: 125930.)

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:各向异性SMP微沟槽表面形貌及润湿性的可逆转变。

 

粘滞可调的超疏水性以及各向异性使得飞秒激光构建的SMP微纳结构成为一种能够实现多种液滴操控方式的多功能平台。基于所制备的SMP微柱阵列和微沟槽阵列图案结构,液滴定向输运、定向自清洁、液滴图案化、液滴微化学反应器、气体传感器等功能相继被实现。通过连续地“擦”(竖直)和“写”(倾斜)SMP微结构图案,这些功能能够在同一个SMP表面上实现。另外,研究表明飞秒激光可以作用不同种类的SMP材料,并且能够在各种SMP上设计制备多种多样的3D微结构和微图案,从而可以实现更为丰富的表面润湿性智能调控。

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:SMP微沟槽阵列图案结构实现液滴图案化、液滴微化学反应器、气体传感器等功能。

 

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:采用可调粘滞性和各向异性润湿实现不同液滴的定向融合与微反应。

 

西安交通大学陈烽教授团队:飞秒激光构建可调超疏水形状记忆微结构
图:飞秒激光在SMP表面构筑的不同3D微结构形貌。

 

相关研究成果分别以“Superhydrophobicity-memorysurfaces prepared by a femtosecond laser”和“Anisotropic,adhesion-switchable, and thermal-responsive superhydrophobicity on thefemtosecond laser-structured shape-memory polymer for droplet manipulation”为题发表于ChemicalEngineering Journal期刊上。西安交通大学电信学部白雪博士为该论文第一作者,西安交通大学雍佳乐副教授陈烽教授为通讯作者。

参考文献:

1.Xue Bai, Qing Yang, Yao Fang, Jingzhou Zhang, JialeYong*, Xun Hou, Feng Chen*.Superhydrophobicity-memory surfaces prepared by a femtosecond laser[J].Chemical Engineering Journal, 2020, 383: 123143.

2.XueBai, Qing Yang, Yao Fang, Jiale Yong*, Yongkang Bai, Jiwen Zhang, Xun Hou, FengChen*. Anisotropic, adhesion-switchable, and thermal-responsive superhydrophobicityon the femtosecond laser-structured shape-memory polymer for droplet manipulation[J].Chemical Engineering Journal, 2020, 400: 125930.

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894719325550

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720320581

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