自然界生物可以通過自發生長的方式生長出各種結構，如一顆種子在泥土里發芽最后沖破泥土成長為幼苗。作為對比，人工獲得表面凸起結構一般通過減材或增材的制造方法，然而減材方法需要去除大量材料且耗費時間，增材方法則需要補充額外的材料，因此有必要發展一種不需要額外材料且節約時間的制造方法。近年來，研究人員受自然界生物自生長模式的啟發，開發了基于基質材料質量轉移的綠色生長策略用于構建面外微結構。但是仍然存在以下不足：1.通過光調節單體局域聚合的方法需要單體定向運動和聚合，生長速度極慢(平均速度小于50 nm/s)，耗時長；2.由于基體材料的限制，目前只能制備出低縱橫比的表面簡單浮雕微圖案。因此，亟需尋求一種更直接、更有效的方法來構建面外復雜結構。
近日，中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室和西南科技大學微納仿生系統與智能化團隊合作報道了一種通過飛秒激光誘導自生長在PET/PS雙層表面上快速制造蘑菇頭凹角結構微柱的方法。凹角結構微柱的生長速度達到了317 μm/s，速度相比較局域光聚合方法提高了6000倍。進一步，研究人員利用制備的蘑菇頭凹角結構微柱表面（HRES）實現了低表面能油滴的排斥和操控，展示了在低表面能微液滴操控與無損運輸領域的廣泛應用前景。評審人高度評價本工作：認為這項工作非常有趣，因為它提供了一種利用2D激光掃描制備微尺度3D浮雕結構的方法。由于受光的直線傳播的限制，激光表面加工技術制備的微結構通常是簡單的微柱或微壁。該工作首次實現了蘑菇頭凹角結構微柱的飛秒激光制備，擴展了激光加工的加工能力。
視頻1.激光誘導蘑菇頭柱子生長過程
圖1. 飛秒激光在PET膠帶/PS雙層表面誘導自生長制備蘑菇頭微柱
圖2. 飛秒激光誘導蘑菇頭微柱的生長機理及工藝參數優化
眾所周知，飛秒激光與材料相互作用的熱影響區可以被限制在極小范圍內，同時隨著激光累積掃描可以產生足夠高的溫度。這一特點有利于實現飛秒激光對熱敏聚苯乙烯形狀記憶聚合物薄膜（PS）的局部處理。研究人員利用飛秒激光在PET/PS 雙層表面上沿著圓路徑連續掃描，隨著激光掃描次數的增加，當熱積累達到PS膜的玻璃化轉變溫度時，會導致底層PS膜的收縮和生長。但覆蓋層PET不能收縮，這樣就在短時間內形成了蘑菇頭凹角結構微柱。同時研究人員還定量研究了激光加工參數對蘑菇頭微柱結構形貌的影響，揭示了蘑菇頭微柱自生長機理，實現了對蘑菇頭微柱結構形貌的精準調控。
圖3. 蘑菇頭微柱陣列表面的潤濕性
圖4. 基于蘑菇型微柱表面的油滴操控與無損運輸
在優化激光加工參數后，制備的蘑菇頭微柱陣列表面對不同低表面能液體展現出優異的超疏液性能。研究人員還利用可編程激光技術制備了不同高度蘑菇頭微柱陣列，實現對油滴如橄欖油的定向無損運輸和操控。此外，由于HRES具有高柔韌性，可以很容易地轉移到幾乎任何彎曲的基底上，且其超疏油性不受影響。該研究為制備柔性超疏液表面開辟了新的途徑，為微制造、微流體、微反應器工程和可穿戴防污電子器件等領域提供了新的思路。
研究成果以題為“Femtosecond Laser Regulated Ultrafast Growth of Mushroom-Like Architecture for Oil Repellency and Manipulation”發表在國際著名期刊Nano Letters上。
中國科學技術大學博士生楊益和博士后研究員張亞超為共同一作，通訊作者為中國科學技術大學胡衍雷教授、吳東教授和西南科技大學李國強教授。該研究得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務經費等項目的支持。
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