封面| 像蝴蝶翅膀一样保持干燥，激光构筑网格状多级微结构

作者：李晶  丛居平

封面| 李晶, 丛居平, 郭楠, 杜新, 张景然, 杜锋. 超疏水低黏附自清洁类蝶鳞片仿生结构的激光构筑与力学机理[J]. 中国激光, 2022, 49(16): 1602009

【封面解读】封面呈现了基于激光烧蚀技术在粗化铝合金表面构建出一种具有超疏水、低黏附、自清洁性能的仿生网格状多级结构。受自然界素饰蛱蝶翅膀鳞片表面结构的启发，利用喷砂粗化并结合激光烧蚀技术，制备出类蛱蝶鳞片的网格状多级结构。该结构表面具有复杂形态和复合尺度特征，展现出超疏水、低附着力和自清洁性能。

研究背景

自然界中，适者生存的自然法则，使许多生物体表进化出独特的结构与性能，这些性能与生物表面微观形貌之间存在着巧妙的联系。蝴蝶翅膀在复杂的自然环境中，其鳞片表面总是可以保持清洁干燥。研究发现，蝴蝶翅膀鳞片表面独特的微结构是其保持疏水和自清洁性能的关键因素。

金属材料遍布在国防工程、工业工程、民生工程的各个角落，制备超疏水、自清洁性能金属表面能够减缓金属材料与外界环境及各种介质表界面之间的相互作用，延长金属材料的使用寿命，拓展金属材料在各个领域的应用。

将激光作用于高表面能的金属材料以实现目标所需功能，已成为改善及解决介质表面接触问题的重要手段。面对复杂、极端工况且满足多元功能并行实现的金属材料，高效的激光加工技术与其它技术交互融合也是重要技术途径之一。

创新工作

长春理工大学仿生机械研究所李晶教授团队通过借鉴蝴蝶翅膀表面的结构与功能，建立了类蝴蝶翅膀的网格状仿生模型，采用喷砂结合激光加工技术，在铝合金表面构筑了类蝴蝶翅膀的网格状多级微结构，研究了仿生网格状多级结构的三维形貌与化学成分对表面超疏水性能的影响，探究了仿生表面低黏附与自清洁行为的力学机理。

喷砂粗化表面呈微米级层片状结构，激光在粗化表面烧蚀出网格状沟槽结构。加工形成的复合微结构可捕获更多的空气进入结构当中，阻碍液滴进入结构空隙，使仿生表面形成Cassie模型下的“气垫”效应，进而实现超疏水低黏特性。

图1 蝴蝶翅膀结构和仿生结构的建立与制备。 (a)蝴蝶翅膀的网格状结构； (b)仿生模型； (c)试样制备过程

对不同激光加工间距下仿生试样表面进行动/静态接触角测试，测试结果如图2（a）~（b）所示，各表面均获得了超疏水特性，接触角滞后小于7°，且长时间放置后试样表面依旧能维持疏水性能。

图2 试样表面性能测试。 (a)静态接触角稳定性；(b)滚动角稳定性

对试样表面的污染/自清洁性能进行测试，测试结果如图3(a)~（d）所示，可以看出：抛光试样浸入泥浆中浸泡后被污染了，而仿生试样从泥浆中离开后，表面没有泥浆残留。这说明仿生试样表现出了不润湿现象，具有优异的自清洁特性。

图3 试样在不同污染环境下污染/自清洁行为 (a)粉尘环境下抛光试样; (b)粉尘环境下仿生试样; (c)泥浆环境下抛光试样; (d)泥浆环境下仿生试样

为分析激光加工试样前后表面润湿性转变的原因，团队对铝合金抛光试样和仿生试样表面进行了XPS测试分析，测试结果如图4所示。

图4 试样表面 XPS测试谱图。 (a1)~(c1)抛光试样；(a2)~(c2)仿生试样

由图4(b1)~(b2)可知, 抛光试样和仿生试样表面C—C非极性基团的占比分别为80.7%和87.9%。这表明激光加工试样放置在空气中吸附的化合物主要由非极性化合物组成，相比抛光试样表面非极性化合物的含量有所增加。因此，非极性基团含量的增加对表面疏水性有一定的促进作用，提高了表面疏水特性。

结论与展望

研究结果表明通过构筑多尺度微结构能够直接实现铝合金表面集超疏水性、低黏附性和自清洁性于一体。团队后续将围绕工程需求相关核心技术问题，深入研究微纳表界面行为与功能调控，构建面对复杂环境的多元复合功能体系。

【课题组介绍】

长春理工大学仿生机械研究所李晶教授团队，针对金属表面仿生功能结构设计、金属表面仿生复合功能表面制备技术等开展了广泛研究工作。近期主要成果包括：研制了具有自主知识产权的多元复合功能表面共性制备技术体系，设计了“多种制备工艺—多种功能表面”多元复合功能表面共性制备技术体系，制备出自清洁防污、耐腐蚀、减黏、脱附、耐磨等多重效果功能表面，并实现金属功能表面精确调控与表达，适用范围包括铝基、钢基、铜基等。

【通信作者简介】

李晶，长春理工大学教授，主要从事微纳仿生表界面行为与功能调控研究，担任国际仿生工程学会、中国机械工程学会、中国光学学会会员和中国化工学会专业委员会委员。近年发表SCI论文30余篇，授权发明专利6项。主持国家自然科学基金面上、青年、吉林省重点科技攻关等国家级省级项目10余项，主持吉林省科技进步二等奖一项。