润湿性由固体基质的化学成分和表面微观结构决定 。 系统研究了未处理不锈钢表面、激光结构粗糙表面和改性粗糙表面在不同固体/液体/气体系统中的润湿性 ， 包括空气-水润湿性、水下油润湿性和水下气泡润湿性 。 如图所示?2a ， 未经处理的不锈钢在空气中本质上具有亲水性 ， 与小水滴的水接触角（WCA）为78.9±1.6° 。 将不锈钢板浸入水中并在样品表面放置油滴（氯仿）时 ， 测得油滴的油接触角（OCA）为75.2±6.7°（图?2c ， d） ， 揭示了未处理不锈钢的水下亲油性 ， 尽管大多数亲水基质在水中会变得疏油 。 无论样品倾斜任何角度 ， 空气中的水滴、水下的油滴和气泡都能牢固地粘附在平面上 。
图2 在不同的固体/液体/气体系统中 ， 空气中水滴、水下油滴和水下气泡在不同不锈钢表面上的表面润湿性和润湿状态 。 （a ， b）水滴 ， （c ， d）水下油滴 ， 和（e ， f）未处理平坦基底上的水下气泡 。 激光诱导粗糙表面上的（g ， h）水滴、（i ， j）水下油滴和（k ， l）水下气泡 。 硬脂酸改性粗糙不锈钢表面上的（m ， n）水滴、（o ， p）水下油滴和（q ， r）水下气泡 。 （s）水滴在空气中的M粗糙不锈钢表面上滚动 。 （t）水下油滴和（u）水下气泡在粗糙表面激光烧蚀不锈钢板上滚动 。
化学改性是将固体基质从亲水性改为疏水性的最常见方法 。 当激光烧蚀不锈钢表面用硬脂酸进一步改性时 ， 所得表面转变为超疏水性 。 M粗糙表面上的水滴呈球形 ， WCA为156.3±0.8°（图?2m） ， 并且可以在2.3±0.3°的水滑角（WSA）下轻松滚开 。 当样品置于水中时 ， 激光处理区域出现明亮的光反射 ， 称为“银镜效应” 。 镜面界面是基质和周围水之间形成截留空气层的直接证据 。 如果移动油滴以接触水中的M粗糙表面 ， 油在刚接触基板后会迅速扩散 ， 并导致5.9±0.9°的非常小的OCA 。
超疏水性使不锈钢表面具有优异的抗水能力 ， 而水下超疏水性和超疏水性使不锈钢在水中具有抗油和抗气泡能力 。 相比之下 ， 超亲水、超亲水和超亲水不锈钢可分别用于吸收和捕获水/油/气 。
实验结果和理论分析表明 ， 飞秒激光在空气中诱导的超亲水不锈钢表面在水中表现出超亲油性和超亲油性 ， 而超低粘附超疏水表面在水中表现出超亲油性和超亲油性 。 也就是说 ， 激光处理不锈钢的水下油超润湿性和气泡行为与水在空气中的超润湿性密切相关 。
对扫描线不同间隔(Λ)激光烧蚀后样品表面的水润湿性进行研究 ， 如图3所示 。 当Λ小于200 μm时 ， 激光烧蚀表面表现出超亲水性 ， 测量到的水滴在粗糙不锈钢表面的wca小于10°(图3ab) 。 随着Λ从200 μm→250 μm→300 μm的增大 ， WCA从5.5±3.5°(图3d)→22.7±2°(图3f)→34.7±6°(图3h) 。 WCA值的增加是由于激光扫描线间非烧蚀畴的面积分数增加所致 。 因此 ， 在飞秒激光处理过程中 ， 只要Λ不超过200 μm ， 不锈钢表面就可以获得良好的超亲水性或超疏水性 。
图3 在不同激光扫描线间隔处制备的粗糙不锈钢表面的润湿性 。 （a）粗糙衬底和M-粗糙衬底的∧和WCA/WSA之间的关系 。 （b–i）在不同∧下制造的合成表面上的小水滴图像：（b ， d ， f ， h）未经硬脂酸改性和（c ， e ， g ， i）经硬脂酸改性后 。
与金属片类似 ， 飞秒激光也可用于处理注射器的针嘴 。 图4显示了原始针和飞秒激光烧蚀针的喷嘴表面的SEM图像 。 原始针具有一种常见的纹理 ， 来自于工业制造过程中的金属断裂(图4ab) 。 与激光处理的喷嘴相比 ， 这种纹理可以被认为是相对光滑的 。
图4 原始针和飞秒激光烧蚀针喷嘴表面的SEM图像 。 （a）原始针头的俯视图 。 （b）未处理喷嘴的放大图像 。 （c）激光烧蚀针头的俯视图 。 （d）针状喷嘴上激光诱导微观结构的放大图像 。 （e） 45°-激光处理喷嘴的倾斜视图 。 黄色虚线表示烧蚀针状喷嘴顶面和侧壁之间的边界 。 （f）（d）中微尖峰表面的微观结构 。
使用接触角测量系统仔细研究了表面润湿性对液体/气泡粘附力以及针状喷嘴中分配的液滴/气泡体积的影响 。 液体或气体逐渐从针状喷嘴喷出 ， 直到悬浮液滴下降或气泡上升 。 水、油和气体的喷射速度小于0.3?μL/s 。 图?5a描述了通过未经处理的喷嘴分配水滴的过程 。 随着水逐渐喷出 ， 悬浮液滴的体积将增加 。 直到体积达到13.68±0.1?μL时 ， 水滴会突然从喷嘴上脱落并滴落下来 。 此时 ， 液滴的重力刚好超过喷嘴尖端可以提供的最大粘附力 。 对于经飞秒激光处理的超亲水喷嘴 ， 分离水滴的测量体积为14.83±0.27?μL ， 略高于原始注射器分配的值 。
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