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  近年來(lái)，在液相中對(duì)于氣泡有著特殊潤(rùn)濕性的固體表面被大量研究，能夠控制氣泡在固體表面的潤(rùn)濕性行為成為了研究熱點(diǎn)之一，氣泡與固體表面的相互作用在微流控、水下微反應(yīng)器、水下氣體收集與分離等新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前對(duì)于水下氣泡在固體表面的操控主要受到三種驅(qū)動(dòng)力的影響：氣泡自身浮力、外部牽引力（如拉普拉斯力、表面張力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力等）和氣/固粘滯力。其中氣/固之間粘滯力是影響氣泡行為的直接原因，粘滯力的調(diào)控主要受到固體表面的微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的影響。自然界中玫瑰花瓣表面具有穩(wěn)定釘扎效應(yīng)，魚(yú)鱗表面具有抗氣泡粘附效應(yīng)，將兩種表面相結(jié)合，能夠制備一種靈活控制固體表面氣泡粘附性的微納米圖案結(jié)構(gòu)表面。

  飛秒激光刻蝕已被證明是構(gòu)造多級(jí)復(fù)合表面并進(jìn)行潤(rùn)濕性調(diào)控的有效手段。陳烽教授領(lǐng)導(dǎo)的飛秒激光仿生微納制造團(tuán)隊(duì)通過(guò)飛秒激光微加工的方法在熱響應(yīng)的形狀記憶材料（SMP）上一步刻蝕了一種周期方形圖案陣列，由周期的方形粗糙微納米結(jié)構(gòu)區(qū)域和未加工平滑區(qū)域組成。6μL的氣泡在平滑的SMP表面上的接觸角為118°，粘滯性極高。飛秒激光燒蝕后的SMP表面由微米突觸和納米顆粒共同構(gòu)成，表面粗糙結(jié)構(gòu)放大了原本的潤(rùn)濕性特性，相同體積的氣泡在表面的接觸角增大為160°，并且在傾斜3°的表面上極易滾落，具有水下氣泡極低粘滯性。

圖1. 飛秒激光構(gòu)建周期方形陣列圖案

圖2. 氣泡在原始平滑SMP表面和飛秒激光刻蝕后的粗糙SMP表面的粘滯性

  通過(guò)調(diào)節(jié)加工區(qū)域?qū)挾群拖嗷ラg隔距離，水下氣泡在SMP表面的粘滯性能夠在極低和極高之間調(diào)節(jié)，且理論上方形周期陣列圖案調(diào)節(jié)氣泡粘滯性的方法適用于所有水下本征疏氣固體表面。根據(jù)粘滯力的不同，將氣泡與固體表面之間的粘附作用分為極低、低、高和極高四個(gè)狀態(tài)。其中低粘滯狀態(tài)的SMP表面可以被用作水下機(jī)械手，將氣泡從極低粘滯表面向高粘滯和極高粘滯的表面進(jìn)行無(wú)損轉(zhuǎn)移，而不受空間和角度的限制；高粘滯表面可以用來(lái)自由制備微米氣泡圖案陣列。

圖3. 四種表面氣泡粘滯性定義

圖4. 利用不同粘滯性表面構(gòu)成水下氣泡自由轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

圖5. 在SMP表面實(shí)現(xiàn)的不同微米氣泡的陣列圖案

  SMP是一種能夠在臨時(shí)橡膠態(tài)和原始玻璃態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的聚合物，利用這一形狀記憶特性，作者進(jìn)一步基于微結(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)變來(lái)控制表面潤(rùn)濕性的重復(fù)性調(diào)制。采用飛秒激光一步刻蝕法在SMP表面上構(gòu)筑了微錐周期陣列結(jié)構(gòu)，周期約為130μm，高度約為50μm。構(gòu)筑的微米級(jí)的錐狀結(jié)構(gòu)表面覆蓋著豐富的納米突起，賦予了樣片表面足夠的粗糙度。初始狀態(tài)時(shí)，氣泡只能接觸到微錐結(jié)構(gòu)的頂端，表面呈現(xiàn)出了低粘滯超疏氣泡特性；隨后將樣片放入60℃熱水中轉(zhuǎn)相后按壓處理，微錐結(jié)構(gòu)頂端統(tǒng)一向一側(cè)傾斜，同時(shí)將納米級(jí)的突出結(jié)構(gòu)壓平，呈現(xiàn)比較光滑的表面，氣泡滾動(dòng)角增加，表面轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高粘滯性；再一次放入熱水中后，微錐結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)，表面潤(rùn)濕性也重新恢復(fù)到原本的低粘滯性。

圖6. 按壓—加熱處理實(shí)現(xiàn)SMP表面氣泡粘滯性可逆轉(zhuǎn)換

  該研究成果為水下微反應(yīng)器、水下氣泡定位釋放、藥物運(yùn)輸、氣泡掩模等應(yīng)用提供了思路。

  該研究成果以“How to Adjust Bubble’s Adhesion on Solid in Aqueous Media: Femtosecond Laser-Ablated Patterned Shape-Memory Polymer Surfaces to Achieve Bubble Multi-Manipulation”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊上。西安交通大學(xué)電信學(xué)部霍靜嵐博士為該論文第一作者，西安交通大學(xué)陳烽教授和楊青教授為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、以及機(jī)械制造與系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和微納制造與測(cè)試技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的資助與支持。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721002928