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    水险些影响着人类文明的各个方面，节制水的举动正日趋成为一项紧急的科学与工程挑战。例如，虽然地球外貌的 71% 被水笼罩，可是淡水资源的欠缺倒是一个日趋严重的全世界性问题，影响着全世界跨越 7 亿人口。另外一方面，水及水蒸气常常呈现于人们不但愿它们呈现之处，这既包括洪水泛滥，也涵盖一些小贫苦，好比汽车挡风玻璃起雾或者是电子装备内部呈现的冷凝征象。

科学家们早就意想到，天然界中的一些外貌具备节制水的能力。例如，荷叶及玫瑰花瓣都能强力疏水，使水于其外貌形成水珠。有多莳植物的外貌甚至一些动物的体表或者皮肤，水于上面极易铺展；人类眼角膜能让泪水匀称地于其外貌铺展，从而连结优良的目力并掩护眼睛免受碎屑损害。

对于这些外貌的阐发注解，它们节制水的能力凡是源在两个因素。起首是外貌化学性子，这象征着外貌份子的存于，基在其外貌能，这些份子固有亲水（吸引水）或者疏水（排斥水）的特征。

其次是外貌外形（形态），特别是极为微小标准的外貌布局。最为要害的是，这些不异的布局会放年夜已经有的任何外貌特征，不管是亲水特征还有是疏水特征。

接触角 是用在量化外貌润湿性的要害参数，它被界说为于接触点处水点外貌切线与固体外貌自己之间的夹角。低接触角（ 90 ）象征着液体极易铺展（亲水）；接触角年夜在 90 则注解液领会堆积成珠，于外貌形成水点（疏水）；接触角刚好为 90 ，对于应半球形水点，注解处在中性润湿状况。

Hydrophobic Surface: 疏水外貌

Contact Angle ( )＞ 90 ：接触角 ( ) 90

Surface: 外貌

Water droplet: 水点

Hydrophilic Surface: 亲水外貌

Contact Angle ( ) 90 : 接触角 ( ) 90

水与外貌彼此作用的最极度状况，被称为超疏水及超亲水。超疏水外貌凡是象征着接触角年夜在 150 ；而超亲水外貌的接触角小在 10 ，凡是靠近 0 。超亲水外貌上的水险些刹时铺展，形成薄膜而非离散的水点。

向天然进修

奥地利福拉贝尔格运用技能年夜学（位在奥地利多恩比恩）的一个研究团队，一直于致力在理解并开发用在控水的仿生外貌（即模拟年夜天然的 设计 的外貌）。例如，该团队阐发了于纳米比戈壁甲虫（Namib Desert Beetle）身上发明的怪异的图案化微不雅布局。这些微不雅布局使这类甲虫可以或许从雾中网络水份，而于其所处的极端干旱的情况中，雾险些是独一靠得住的水源。

甲虫 吸食雾气 的能力，源在其鞘翅（硬化的前翅）上的超亲水及超疏水区域的组合。为了使用这些特征，甲虫会朝着袭来的雾气歪斜身体，水点便会于其超亲水的突出处形成。水点不停聚归并变年夜，直至因重力作用而离开。随后，一系列超疏水凹槽会将水引入甲虫口中。

福拉尔贝格运用技能年夜学的研究职员，对于甲虫鞘翅的形态及化学性子举行了表征。他们证明了其他研究职员此前得到的成果，即外貌润湿性会因 双条理布局 的存于而遭到极年夜影响。这些布局包罗两个空间频率显著差别的特性，例如微米级特性及纳米级特性。微米级特性卖力指导水流，而纳米级特性能加强外貌能。它们配合提高了毛细管作用的效率，促成了水于外貌的传输。

福拉尔贝格团队采用一种基在激光的三步制造法，模仿了纳米比戈壁甲虫身上的图案。第一步，利用Spectra-Physics Spirit One 飞秒激光器于派热克斯玻璃（Pyrex）晶片外貌制造双条理图案，这将原本亲水的派热克斯玻璃外貌改变为超亲水外貌。

第二步，于该外貌上沉积一种近似特氟龙（聚四氟乙烯）的聚合物。于激光布局化区域上方添加这类低外貌能质料，使其改变为超疏水外貌。

第三步，再次利用飞秒激光器仅于选定区域去除了涂层，从而制造出所需的瓜代的超亲水及超疏水区域图案。

图2：于派热克斯玻璃晶片上制造超亲水及超疏水区域图案的历程，以和制品部件上水点的照片。

A

Hypdrophilic substrate: 亲水基底

B

Microsacles ridges covered with nanoscale LIPSS: 笼罩着纳米级激光引诱周期性外貌布局 (LIPSS) 的微米脊

Focused laser beam: 聚焦的激光束

Femtosecond laser patterning transforms it to superhydrophilic: 经由过程飞秒激光图案化将亲水基底酿成超亲水基底

C

A hydrophobic coating applied over the pattern makes it superyhydrophobic: 于图案上施加一层疏水涂层，使其具备超疏水性

D

selection coating ablation with the femtosecond laser enables precise water control: 用飞秒激光器举行选择性涂层烧蚀，实现水的邃密节制

飞秒激光图案化

有多种要领可用在制造所谓的双条理微不雅布局，好比化学蚀刻及于微不雅布局上沉积纳米球等。相较在其他所有技能，飞秒激光加东西有几个要害上风，这恰是福拉尔贝格团队选择飞秒激光加工的缘故原由。例如，激光加工无需掩模，险些可以创立任何图案，而且无需年夜量东西或者繁杂设置，这加速了研究进程并将成本降至最低。

但最为主要的是，飞秒激光用具备一种怪异的能力，即可以或许于单一步调中创立双条理外貌布局。详细而言，飞秒激光器的岑岭值功率程度可以最年夜水平地削减热扩散，并激发非线性接收效应（于某些环境下包括多光子电离），从而可以或许形成激光引诱周期性外貌布局（LIPSS）。LIPSS 是周期性的纳米级特性（凡是比激光波长自己还有小），其于特定前提下的飞秒激光烧蚀历程中会自觉呈现。利用长脉宽激光器没法创立 LIPSS。

由岑岭值功率飞秒脉冲激发的非线性接收，还有使这些激光器可以或许烧蚀险些任何质料，包括玻璃等透明或者脆性质料，以和钢铁及硅（只管 LIPSS 特性的详细形态因质料而异），这付与了该技能广泛的合用性。

图3：由超快激光天生的双条理外貌布局，由宽约 15 m、高 10 m 的突出组成，这些突出笼罩着周期约为 700 nm 的激光引诱周期性外貌布局（LIPSS）。

于这项特定的研究中，研究团队起首利用他们的 Spectra-Physics Spirit One 激光器，于派热克斯玻璃上烧蚀出凹槽；该激光器被配置为波长 520 nm 的线偏振输出，脉冲宽度 380 fs，反复频率 200 kHz，能量密度 6.2 J/cm ，聚焦光斑尺寸为 6 m。于这些前提下，激光被用在制造几微米到几十微米宽的凹槽。

这些操作前提还有使激光可以或许激发 LIPSS 征象，该征象会主动于凹槽上叠加更小的周期性特性，这些特性的典型尺寸及周期处在亚微米规模。

于末了一步，统一台 Spectra-Physics Spirit One 激光器以低患上多的能量密度 2.1 J/cm 运行，如许就能做到仅去除了薄薄的特氟龙层，而不会影响先前制造的底层微不雅布局。

掌控水

随后，MKS 公司旗下 Spectra-Physics 的一个团队与福拉尔贝格年夜学的团队互助，继承开展这些研究。基在试验的乐成，他们就其于超疏水配景上快速且矫捷地制造超亲水性微图案的要领，申请了结合专利，该技能被定名为 ClearSurface。

ClearSurface 的一个较着用途是微流体。于微流体范畴，节制微量流体的流动对于在诸如片上试验室（lab-on-a-chip）器件、细胞造就、药物递送体系等浩繁运用至关主要。

利用 ClearSurface，可以构建扑朔迷离的微通道，将液体切确指导至所需的地方。因为图案所孕育发生的高润湿性梯度，仅靠外貌张力就能将水限定于预先界说的超亲水性微通道及储液器内，水无需泵或者外力鞭策便可于此中流动。基在激光的 ClearSurface 工艺极具矫捷性，该工艺也可运用在其他流体。

图4：于 ClearSurface 技能中，利用飞秒激光对于玻璃举行微布局化处置惩罚（上图）。特写镜头展示了图案区域的边沿（中图）。潮湿时，水会主动于整个图案上放开，并仅靠外貌张力被限定于图案区域内（下图）。

ClearSurface 技能的一个不算新颖的运用是用在眼镜、汽车后视镜、头盔面罩及窗户等产物的防雾技能。传统防雾涂层使外貌更亲水以削减水点形成，而激光制造的超亲水外貌会迫使水更匀称地放开，底子不会形成水点，而且它还有可使用超疏水区域将水高效地彻底排走。

图5：透过起雾的玻璃不雅察到的情形（左），以和于不异温度及湿度前提下经由过程经 ClearSurface 处置惩罚的玻璃不雅察到的情形（右）。

英国诗人塞缪尔 泰勒 柯勒律治于诗歌《古船夫咏》中叹道： 水啊水，处处都是水，却没有一滴能解渴。 这归纳综合了一个事实：水无处不于，但其实不老是出现出咱们想要的形态。经由过程采用飞秒激光加工技能，咱们朝着节制水这类至关主要且无处不于的物资，又迈进了一步。

文章信息

本文刊载在 Novus Light Technologies Today

作者：Victor Matylitsky博士，

MKS Inc. 旗下 Spectra-Physics 产物高级产物市场司理。

转自：MKS光电解决方案

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