纤尘不染的“自清洁表面”

原创长光所Light中心中国光学

封面图来源：flickr

撰稿 | WHO HOW

研究背景

在现代工业中，精密的表面结构在各个领域里起着重要作用，精密表面对光洁度的要求也与日俱增。表面的碎屑和污染会对其功能产生负面影响。

例如在食品工业中，往往需要复杂而昂贵的程序来清洁设备的表面，以确保达到食品安全标准。在光学和半导体元器件中，对于洁净度的要求更是近乎苛刻。为了减少清洁过程耗费的时间和成本，自清洁表面的概念应运而生。

实现自清洁表面的途径是使材料具有超疏水性。在超疏水表面上水滴几乎没有粘附力，因此极难润湿。这样的表面不仅对水和冰具有极强的排斥性，而且仅通过水滴沿材料滚动并沿途拾起灰尘颗粒的作用使清洁变得简易高效。受自然界中荷叶的启发，滚动的水滴在表面上可以吸附杂质但水滴本身却无法粘附在表面上，随着水滴的滑落，表面焕然如新。

在过去的几十年中，研究人员分别提出了气相沉积法，溶胶凝胶法，水热合成法，静电纺丝法等方式来实现自清洁表面。但是这些方法或因为使用大量化学药品而导致应用受限，或因为成本太高步骤繁琐而无法大规模应用。

近日，来自德累斯顿工业大学和德国弗劳恩霍夫材料研究所的研究团队开发了一种使用激光直写（DLW）和激光干涉直写（DLIP）技术制作超疏水“自清洁”铝表面的工艺，并提出了一种针对该表面的有效表征方法。

基本原理

通常来讲，液滴与表面的接触点是物质的三相（气-液-固）会聚之处，其能量条件以液体粘附到固体表面的形式反映出来。粘附力取决于接触边界处流体与固体表面的静态接触角，如下图所示。如果液滴位于倾斜的表面上，则液滴两侧的接触角将不对称。即下坡时，前进方向的接触角比后退方向的接触角大。两个方向的接触角之差称为接触角滞后。

为了实现滚动水滴的自清洁效果，表面必须同时具有较高的静态接触角和较低的接触角滞后，以便液滴可以在较低的驱动力下轻松移动和旋转。

技术手段

样品制备：

首先将铝片抛光洗净后置于激光直写工作台上（GF machine solution P600）。

使用14 ns的脉冲持续时间，并将重复频率设置为30kHz。使用254 mm焦距F-theta物镜将光束聚焦到样品上，获得直径为70μm的斑点。通过控制激光功率将激光通量设置为1.06 J /cm⊃2;。沿样品表面以恒定速度扫描激光束。通过这种设置处理的三角形表面结构由3个依次形成的线状结构组成，其方向每次旋转60°。平行线之间的距离（影线距离，HD）固定为50μm。如图C所示。

之后使用激光干涉直写技术对样品进一步处理。

使用衍射光学元件（DOE）将激光束分成两个子光束，并将其引导到一个棱镜上使光束平行，然后使用非球面透镜聚焦在样品表面上。使用这种配置，可以在直径为140μm的圆形区域内获得线状干涉条纹（上图B）。

在这项研究中，光束之间的角度设置为8.7°，以获得7.0μm的空间周期。激光通量设置为1.93J /cm⊃2;，激光的重复频率固定为1kHz。使用高精度轴（Aerotech，美国）以±2.5μm的精度在x和y方向上平移样品。通过沿y方向移动样本可以控制脉冲之间的重叠（Ov），最终确定命中某个位置的激光脉冲数（参见上图D）。x方向平移（SD）主要确定了表面纹理的均匀性。

在本项研究中，Ov和SD分别为99％和141.6μm。为了获得柱状结构，必须将样品旋转90°并重复该过程（上图E）。结合激光直写和激光干涉直写技术，制备得到样品如下图。（a，b，c，d分别是未经处理的铝表面，只用激光直写技术DLW处理的表面，只用激光干涉直写DLIP处理的表面，结合DLW和DLIP处理的表面）

样品表征：

本项研究的一大亮点是提供了一种新颖而有效的表征方法。与传统的表征手段例如扫面电镜和光谱分析等不同。本方法使用不同类型和大小的污垢（微粒）来系统表征激光结构化样品的自清洁效率。此外，使用高速相机详细研究了自清洁机制，该相机能够以每秒12,500帧的速度记录液滴，颗粒和结构化表面之间的界面，如下图所示。

在两个倾斜角度（15°和30°）下评估了样品的自清洁性能。当样品倾斜时，10μl液滴在激光结构化区域上滚动，将污染物颗粒拉走。

为了表征和测试该自清洁表面的能力，研究人员测试了三组不同的样品。一个单独使用DLW，一个单独使用DLIP，另一个结合了两种技术。接下来研究人员用污垢（氧化锰和聚酰胺颗粒）污染了每个表面，并将这些表面设置在高速摄像头前面的倾斜平面上。然后，将水滴沿表面滚动，并使用相机评估水滴吸收和清除表面污染物的效率。研究人员发现，仅使用DLIP的表面以及结合使用DLW和DLIP的表面均会产生特别高的清洁效率。DLIP制备的表面的空间周期为7.0微米，显示出高达99％的污染颗粒的清洁效率。

总结与展望

本项工作提出了一种可以有效制作超疏水铝表面的方法，为食品加工检测等领域的应用奠定了基础。并且，在研究过程中使用的新颖表征方法，可以广泛应用在其他精细表面的表征当中。

文章信息：

该成果以“ Characterization of self-cleaning properties on superhydrophobic aluminum surfaces fabricated by direct laser writing and direct laser interference patterning ”为题发表在 Applied Surface Science 。

论文地址：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146518

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原标题：《纤尘不染的“自清洁表面”》