近年來，在液相中對于氣泡有著特殊潤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濕性行為成為了研究熱點之一，氣泡與固體表面的相互作用在微流控、水下微反應器、水下氣體收集與分離等新技術的開發和應用中有著廣闊的應用前景。目前對于水下氣泡在固體表面的操控主要受到三種驅動力的影響：氣泡自身浮力、外部牽引力（如拉普拉斯力、表面張力、電場力、磁場力等）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，粘滯力的調控主要受到固體表面的微結構和化學成分的影響。自然界中玫瑰花瓣表面具有穩定釘扎效應，魚鱗表面具有抗氣泡粘附效應，將兩種表面相結合，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構表面。
飛秒激光刻蝕已被證明是構造多級復合表面并進行潤濕性調控的有效手段。陳烽教授領導的飛秒激光仿生微納制造團隊通過飛秒激光微加工的方法在熱響應的形狀記憶材料（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構區域和未加工平滑區域組成。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成，表面粗糙結構放大了原本的潤濕性特性，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
通過調節加工區域寬度和相互間隔距離，水下氣泡在SMP表面的粘滯性能夠在極低和極高之間調節，且理論上方形周期陣列圖案調節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、高和極高四個狀態。其中低粘滯狀態的SMP表面可以被用作水下機械手，將氣泡從極低粘滯表面向高粘滯和極高粘滯的表面進行無損轉移，而不受空間和角度的限制；高粘滯表面可以用來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成水下氣泡自由轉移系統
圖5. 在SMP表面實現的不同微米氣泡的陣列圖案
SMP是一種能夠在臨時橡膠態和原始玻璃態之間相互轉化的聚合物，利用這一形狀記憶特性，作者進一步基于微結構的可逆轉變來控制表面潤濕性的重復性調制。采用飛秒激光一步刻蝕法在SMP表面上構筑了微錐周期陣列結構，周期約為130μm，高度約為50μm。構筑的微米級的錐狀結構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。初始狀態時，氣泡只能接觸到微錐結構的頂端，表面呈現出了低粘滯超疏氣泡特性；隨后將樣片放入60℃熱水中轉相后按壓處理，微錐結構頂端統一向一側傾斜，同時將納米級的突出結構壓平，呈現比較光滑的表面，氣泡滾動角增加，表面轉變為較高粘滯性；再一次放入熱水中后，微錐結構重新恢復，表面潤濕性也重新恢復到原本的低粘滯性。
圖6. 按壓—加熱處理實現SMP表面氣泡粘滯性可逆轉換
該研究成果為水下微反應器、水下氣泡定位釋放、藥物運輸、氣泡掩模等應用提供了思路。
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”為題發表于Chemical Engineering Journal期刊上。西安交通大學電信學部霍靜嵐博士為該論文第一作者，西安交通大學陳烽教授和楊青教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中央高校基本科研業務費、以及機械制造與系統工程國家重點實驗室和微納制造與測試技術國際合作聯合實驗室的資助與支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721002928
