图3海藻表面和鱼皮的水下超亲性 。
除了水下的超亲油性 ， 长尾鱼的皮肤在水中也表现出各向异性的油润湿性（图3f） 。 长尾鱼的皮肤被高表面能的钩状棘覆盖 ， 而不是普通的扇形鳞（图3g ， h） 。 每个脊柱的高度约为383.7μm ， 宽度约为51.6μm 。 每根脊椎的尖端都朝着鱼尾弯曲 。 在水介质中 ， filefish皮肤上的小油滴显示出156.1±1.8°的OCA（图3i） 。 只要鱼皮表面倾斜13.4° ， 油滴就会沿头到尾（HT）方向从鱼皮上滚下 ， 而油滴可以滚动 ， 直到鱼皮表面沿相反方向（TH方向）倾斜22.5° ， 如图3j所示 。 结果表明 ， 油滴倾向于沿HT方向滚走 ， 但在TH方向被钉住 ， 显示了鱼皮的各向异性油润湿性 。 紧密的亲水钩状棘由于表面粗糙度高 ， 导致了鱼皮的水下超亲油性和抗油功能 。 同时 ， 尖刺的弯曲尖端导致油滴的单向滑动趋势 。 这种各向异性的拒油性意味着 ， 由于避免了油在鱼头积聚 ， 因此 ， 长尾鱼在受油污染的海水中具有定向自清洁能力 。
许多其他生物也具有水下超疏油特性 ， 如蛤蜊的壳和荷叶的底面 。 受到这些生物的启发 ， 我们可以通过结合合适的表面微观结构和高表面自由能化学来制备水下超疏油表面 。 “从空气中的超亲水性到水下的超疏油性”也是一条行之有效的途径 。
2.2关于润湿性的理论基础
当一个小液滴滴到固体表面上时 ， 一个TPCL会在接触后形成 。 当液体进一步润湿表面时 ， TPCL向外膨胀 ， 直到达到一定直径 ， 导致球形冠状液滴停留在基板表面上 ， 如图4a所示 。 此时 ， 液体/固体界面与TPCL处空气/液体曲面切线之间形成的角度称为接触角（CA） ， 通常用于评估固体表面的静态润湿性 。 样品倾斜 ， 直到其表面上的液滴刚好滚走 。 基板的倾斜角度为SA（图4b） 。 通常 ， SA值可以反映固体基质和液滴之间的粘附程度 。 较高的液体附着力通常会产生较大的SA值 。
图4 液滴在各种基底上的润湿状态 。
2.3飞秒激光微细加工
飞秒激光已被证明是先进微制造和纳米制造中一种有效而强大的工具 。 由于超短脉冲宽度和极高峰值强度的独特特征 ， 飞秒激光微细加工相对于基于长脉冲或连续波激光的传统激光加工技术具有许多明确的优势 ， 例如烧蚀区域周围形成非常小的热影响区、非接触制造、激光加工、激光加工等 ， 高空间分辨率和可加工材料的通用性 。 此外 ， 由于飞秒激光的高峰值强度 ， 飞秒激光束还可以通过非线性过程与透明材料相互作用 ， 例如多光子吸收或隧穿电离 。 因此 ， 飞秒激光可以烧蚀各种材料 ， 无论是不透明材料还是透明材料 ， 包括半导体、脆性材料（如玻璃）、金属、聚合物、陶瓷、生物材料（如生物组织）等等 。
飞秒激光微细加工已成功应用于高质量、高精度的表面微/纳米加工 ， 如钻孔、切割、纳米光栅、表面图案化和纹理化以及微/纳米结构 。 图5显示了飞秒激光微细加工系统的典型设置 。 预先将样品固定在3D处理平台上 。 然后 ， 来自飞秒激光的高斯激光束通过物镜聚焦在样品表面上 。 当然 ， 也可以使用其他一些透镜 ， 如中等光学凸透镜、平面凸透镜和柱面透镜来聚焦激光束 。 3D平台的移动可以由计算机程序精确控制 。 脉冲能量由可变衰减器调节 。 机电快门用于打开/关闭激光束 。 微加工过程由电荷耦合器件（CCD）摄像机实时监控 。 在实验中 ， 通常采用典型的逐行（串行）扫描方式 ， 如图5右下方插图所示 。
图5 飞秒激光微细加工典型实验装置示意图 。
在过去十年中 ， 飞秒激光微细加工也成功地应用于表面科学领域 ， 以设计和改变固体材料的表面润湿性 。 通过使用简单的一步飞秒激光扫描方式 ， 可以在各种材料的表面上直接创建各种微/纳米级分级结构 。 由于激光加工位置、扫描速度和扫描轨迹由计算机程序精确控制 ， 因此无需昂贵的掩模即可轻松制作不同的预先设计的二维图案和三维微结构 ， 如图6所示 ， 由于表面润湿性主要由表面形貌和化学成分决定 ， 这些图案化微结构通常表现出各种独特的润湿性能 。 与用于制备不同润湿表面的常用方法相比 ， 飞秒激光微细加工的特别之处在于 ， 它更擅长实现复杂的非均匀润湿性 ， 并且该技术可以应用于大多数材料 。
图6 通过飞秒激光烧蚀制造的各种2D图案和3D微结构 。
3飞秒激光诱导的水下超亲性
受鱼鳞的启发 ， 提出了一种在水环境中制造超亲油表面的新策略 。 鱼鳞的水下超亲性归因于固有亲水性化学成分和分级粗糙表面微观结构的综合效应 。 已经证明 ， 空气中的超亲水表面在样品表面浸入水中后通常表现出超疏水性 。 因此 ， 基于“从超亲水性到水下超疏水性”的设计原则 ， 有两条主要的水下超亲水性表面创建途径 。 对于本质亲水性基底 ， 通过在该基底表面构建适当的微/纳米尺度结构 ， 可以直接获得水下超亲性 。 对于疏水性基底 ， 需要首先对表面进行粗糙处理 ， 然后用亲水性分子层进行进一步改性 。 由于飞秒激光能够通过简单的一步烧蚀方式在多种材料的表面上直接生成各种微/纳米尺度的分级结构 ， 飞秒激光微细加工在设计和实现各种基底上的水下超亲性方面取得了巨大成功 ， 包括基本和复杂的超亲性 。
推荐阅读
- 耀斑：太阳会爆炸
- 人类女性为何比男性更漂亮？明明在自然界中，雄性普遍比雌性漂亮
- 仙人掌科 第10季 仙人掌科生长形态（9）
- “返老还童”或许成为可能，中科院专家揭示了这个秘密
- 真把自己当霸主？NASA局长要求中国承担“责任”，中方果断把话挑明
- 日本女星天海佑希做DNA溯源，意外找到西藏牧羊“姐妹”
- Nature：维生素K是一种有效的铁死亡抑制剂
- 人类起源于火星移民？火星地底存在文明？遥视火星发现什么秘密？
- 白天不懂夜的黑，你属于哪种睡眠类型？