飞秒激光仿生制造实现气泡操纵纳米

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长三角G60激光联盟导读
本文提出了一种沿飞秒激光诱导的微通道宽度小于100μm的开放超疏水表面水下气体自输运的创新策略。

飞秒激光诱导的分级微/纳米结构促进了聚四氟乙烯（PTFE）表面在空气中的超疏水性和优异的水下超亲热性。将具有超疏水微槽的PTFE表面浸入水中，在PTFE基板和水介质之间产生空心微通道。水下气体可以流过这个通道。当一个微通道连接两个水下气泡时，气体会沿着这个空心微通道自发地从小气泡传输到大气泡。气体自传输可以扩展到与水下操纵气泡相关的更多功能，例如单向气体通道和水/气分离。来源：Jiale Yong等
水中气体的处理和使用在能源利用、化学制造、环境保护、农业育种、微流控芯片和医疗保健方面有着广泛的应用。通过独特的梯度几何形状驱动水下气泡在给定距离上定向和连续移动的可能性已成功存档，为这一激动人心的课题的更多研究打开了空间。然而，在许多情况下，梯度几何形状是微观的，不适合在微观水平上传输气体，因为大多数微尺度梯度结构提供的驱动力不足。这使得气泡和气体在微观水平上的水下自输运成为一大挑战。
在《International Journal of Extreme Manufacturing》上发表的一篇新论文中，由中国西安交通大学电子科学与工程学院Chen教授领导的研究团队，提出了一种沿飞秒激光诱导的微通道宽度小于100μm的开放超疏水表面水下气体自输运的创新策略。在其内壁上具有超疏水和水下超亲水微/纳米结构的微槽不能被水润湿，因此当槽结构表面浸入水中时，在基板和水之间形成中空微通道。气体可以沿水下微通道自由流动；也就是说，这种微通道使气体能够在水中传输。超疏水微槽使气泡和气体在微观水平上的自传输成为可能。

飞秒激光结构聚四氟乙烯表面超疏水性和水下超亲水性的形成机理。
飞秒（10?15秒）激光技术已成为制备这种超疏水微槽的一种有前途的解决方案。飞秒激光器凭借其两个关键特性：极高的峰值强度和超短的脉冲宽度，已成为现代极端和超精密制造的必要工具。飞秒激光加工具有空间分辨率高、热影响区小、非接触制造等特点。特别是，飞秒激光可以烧蚀几乎任何材料，从而在材料表面形成微结构。因此，飞秒激光是在材料表面形成超疏水微结构的可行工具，这对于在微观水平上实现气体自输运至关重要。
通过飞秒激光加工，在固有疏水性的PTFE基底上容易制备出分级微/纳米结构，使PTFE表面具有优异的超疏水性和水下超亲水性。飞秒激光诱导的超疏水和水下超高温微槽对水有很大的排斥作用，并且可以支持水下气体输送，因为PTFE表面和水中的水介质之间形成了一个中空的微通道。水下气体很容易通过这个中空的微通道输送。

通过激光诱导多孔超疏水和水下超亲水PTFE板收集水下气泡。（a）从液体介质中收集气泡的装置和机理示意图。（b）从水中收集气泡的人工装置。
有趣的是，当超疏水微槽连接水中不同的超疏水区域时，气体会自发地从一个小区域转移到一个大区域。独特的激光钻孔工艺还可以将微孔整合到超疏水和水下超高温PTFE板中。
飞秒激光诱导的“Y”形微孔的不对称形态和PTFE板独特的表面超润湿性允许气泡在水中单向通过多孔超润湿PTFE板（从小孔侧到大孔侧）。实现了抗浮单向侵彻；也就是说，气体克服了气泡的浮力，自行向下输送。与二极管类似，超湿润多孔板的单向气体通道功能用于确定气体在操纵水下气体时的传输方向，防止气体回流。

通过激光诱导的多孔超疏水和水下超高温PTFE板去除水流中的气泡。（a）从水管中去除气泡的装置示意图。（b），（c）被移除并释放到外部环境中的选定气泡快照：（b）气泡随着水流向前移动并上升到分支部分，（c）气泡穿透分离片后。
拉普拉斯压差驱动了自发气体输送和单向气泡通道的过程。基于气体的自传输特性，超疏水和水下超亲水多孔板也成功地用于分离水和气体。

飞秒激光仿生制造实现气泡操纵

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