微纳米仿生结构的激光加工 _纳米

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长三角G60激光联盟导读
据悉，受自然界启发，许多研究人员注意到，起源于生物体表面的微纳结构具有超疏水性、减阻性、结构颜色等独特性质，具有很大的学术价值。
然而，模拟仿生表面的传统处理方法需要多步骤，浪费时间，不环保，也不经济。由于超快激光技术的发展，脉冲宽度可以达到飞秒级，可以一步精确地实现微纳加工。在这里，我们介绍并演示了一些典型性质的原理。讨论了激光与材料相互作用引起的典型结构。此外，还强调了仿生表面的激光加工方法，以实现专门的性能。
1介绍
科学家发现，许多生物体的表面具有特殊的微/纳米结构，具有特殊的性质。然而，这些生物体表面的结构往往是微/纳米尺度和复杂的。采用常规方法时，需要对工具进行修整，使其与结构一致。
许多创新方法被开发用于微/纳米制造，如反应离子蚀刻、光刻、化学气相沉积、电化学处理、模板、自组装等。但这些方法程序复杂，步骤多，浪费时间。制造过程中产生的废物也会影响环境。
与其他方法不同，超快激光具有许多优点：（1）单色性好，相干性高，方向性强；（2）高分辨率和精度；（3）无限材料。除了上述优点外，它还具有良好的可操作性和灵活性，对于几乎所有结构来说，一步就足够了。因此，它已成为微纳结构领域的研究热点。
2微/纳米仿生表面结构的特征及其机理
许多生物因其表面独特的微/纳米结构而表现出特殊的功能。通过研究这些表面的物理和化学性质，科学家们分析并获得了仿生表面表现出这些性质的原因，这为仿生表面的人工制备提供了基础和方法。
2.1超疏水表面
超疏水表面是自然界中最常见的功能表面，也是科学家研究最多的表面，无论是动物（水鰕）还是植物（莲花、猪笼草和玫瑰花瓣）。超疏水表面有微乳头，如图1a、b所示，使表面与液滴的接触角大于150° 。空气被困在微乳头和微乳头共同作用，提升液滴，使表面超疏水。

【微纳米仿生结构的激光加工】图1（a）花瓣表面的微乳头。（b）微乳头上的纳米折叠[17
。（c）超疏水表面上的液滴。（d）液滴粘附在超疏水表面。
液滴可以附着在某些超疏水表面，如图1c所示的玫瑰花瓣，称为“花瓣效应” 。相比之下，当液滴在其他超疏水表面时，表面只需要倾斜一个很小的角度(小于5°)就可以使液滴脱落。这种超疏水表面具有自清洁性能，可用于制备自清洁表面。自然界中最典型的例子就是荷叶表面的“荷花效应” 。 “花瓣和荷叶都有相同的微乳头，上面附着着更小的纳米折叠物，但它们的表面对液滴的粘附性不同。 ”
基于上述现象， Feng等发现荷花表面呈现Cassie状态，花瓣表面呈现Cassie浸渍润湿状态，如图2a所示。进一步观察发现，液滴浸入花瓣上的纳米折痕，从而粘附在花瓣表面。外翻的纳米褶皱与小乳头状突起相反，起着相同的作用。 Bharat等研究了纳米折痕的分布对粘附性的影响，发现较大的间距值(两个纳米折痕之间的间距)和较小的峰基高度对微观结构的影响可以在保持超疏水性的同时获得高粘附性。

图2（a）花瓣的肉桂浸透润湿状态和莲花的肉桂状态；（b ， c）具有相同节距值和不同纳米结构密度的分层结构的新鲜花瓣上的液滴。
2.2结构减阻
随着地球能源的不断减少和人类需求的增加，如何提高能源利用效率已经成为一个热门话题。减阻是减少物理运动中能量消耗最直接的方法。在70年代， NASA受到鲨鱼皮的启发，发现微小的凹槽可以有效减少壁面摩擦，如图3a所示。这一发现彻底打消了“表面越光滑，阻力越小”的想法。科学家也逐渐发现初生羽毛(图3b)Rynchops beak(图3c)具有类似的凹槽形状结构，可以减少飞行或狩猎时的摩擦。

微纳米仿生结构的激光加工

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