水几乎影响着人类文明的方方面面，控制水的行为正日益成为一项紧迫的科学与工程挑战。例如，虽然地球表面的 71% 被水覆盖，但是淡水资源的短缺却是一个日益严峻的全球性问题，影响着全球超过 7 亿人口。另一方面，水和水蒸气经常出现在人们不希望它们出现的地方，这既包括洪水泛滥，也涵盖一些小麻烦，比如汽车挡风玻璃起雾或是电子设备内部出现的冷凝现象。

科学家们早就意识到，自然界中的一些表面具有控制水的能力。例如，荷叶和玫瑰花瓣都能强力疏水，使水在其表面形成水珠。有多种植物的表面甚至一些动物的体表或皮肤，水在上面极易铺展；人类眼角膜能让泪水均匀地在其表面铺展，从而保持良好的视力并保护眼睛免受碎屑侵害。

对这些表面的分析表明，它们控制水的能力通常源于两个因素。首先是表面化学性质，这意味着表面分子的存在，基于其表面能，这些分子固有亲水（吸引水）或疏水（排斥水）的特性。

其次是表面形状（形态），尤其是极其微小尺度的表面结构。最为关键的是，这些相同的结构会放大已有的任何表面特性，无论是亲水特性还是疏水特性。

“接触角”是用于量化表面润湿性的关键参数，它被定义为在接触点处水滴表面切线与固体表面本身之间的夹角。低接触角（< 90°）意味着液体极易铺展（亲水）；接触角大于 90° 则表明液体会聚集成珠，在表面形成水滴（疏水）；接触角恰好为 90°，对应半球形水滴，表明处于中性润湿状态。

Hydrophobic Surface: 疏水表面

Contact Angle (ϴ)＞ 90°：接触角 (ϴ) > 90°

Surface: 表面

Water droplet: 水滴

Hydrophilic Surface: 亲水表面

Contact Angle (ϴ) < 90°: 接触角 (ϴ) < 90°

水与表面相互作用的最极端状态，被称为超疏水和超亲水。超疏水表面通常意味着接触角大于 150°；而超亲水表面的接触角小于 10°，通常接近 0°。超亲水表面上的水几乎瞬间铺展，形成薄膜而非离散的水滴。

向自然学习

奥地利福拉贝尔格应用技术大学（位于奥地利多恩比恩）的一个研究团队，一直在致力于理解并开发用于控水的仿生表面（即模仿大自然的“设计”的表面）。例如，该团队分析了在纳米比沙漠甲虫（Namib Desert Beetle）身上发现的独特的图案化微观结构。这些微观结构使这种甲虫能够从雾中收集水分，而在其所处的极度干旱的环境中，雾几乎是唯一可靠的水源。

甲虫 “吸食雾气”的能力，源于其鞘翅（硬化的前翅）上的超亲水和超疏水区域的组合。为了利用这些特性，甲虫会朝着袭来的雾气倾斜身体，水滴便会在其超亲水的凸起处形成。水滴不断聚合并变大，直至因重力作用而脱离。随后，一系列超疏水凹槽会将水引入甲虫口中。

福拉尔贝格应用技术大学的研究人员，对甲虫鞘翅的形态和化学性质进行了表征。他们证实了其他研究人员此前获得的结果，即表面润湿性会因“双层次结构”的存在而受到极大影响。这些结构包含两个空间频率显著不同的特征，例如微米级特征和纳米级特征。微米级特征负责引导水流，而纳米级特征能增强表面能。它们共同提高了毛细管作用的效率，促进了水在表面的传输。

福拉尔贝格团队采用一种基于激光的三步制造法，模拟了纳米比沙漠甲虫身上的图案。第一步，使用Spectra-Physics Spirit One 飞秒激光器在派热克斯玻璃（Pyrex）晶片表面制造双层次图案，这将原本亲水的派热克斯玻璃表面转变为超亲水表面。

第二步，在该表面上沉积一种类似特氟龙（聚四氟乙烯）的聚合物。在激光结构化区域上方添加这种低表面能材料，使其转变为超疏水表面。

第三步，再次使用飞秒激光器仅在选定区域去除涂层，从而制造出所需的交替的超亲水和超疏水区域图案。

图2：在派热克斯玻璃晶片上制造超亲水和超疏水区域图案的过程，以及成品部件上水滴的照片。

A

Hypdrophilic substrate: 亲水基底

B

Microsacles ridges covered with nanoscale LIPSS: 覆盖着纳米级激光诱导周期性表面结构 (LIPSS) 的微米脊

Focused laser beam: 聚焦的激光束

Femtosecond laser patterning transforms it to superhydrophilic: 通过飞秒激光图案化将亲水基底变成超亲水基底

C

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

D

selection coating ablation with the femtosecond laser enables precise water control: 用飞秒激光器进行选择性涂层烧蚀，实现水的精细控制

飞秒激光图案化

有多种方法可用于制造所谓的双层次微观结构，比如化学蚀刻和在微观结构上沉积纳米球等。相较于其他所有技术，飞秒激光加工具有几个关键优势，这正是福拉尔贝格团队选择飞秒激光加工的原因。例如，激光加工无需掩模，几乎可以创建任何图案，并且无需大量工具或复杂设置，这加快了研究进程并将成本降至最低。

但最为重要的是，飞秒激光器具备一种独特的能力，即能够在单一步骤中创建双层次表面结构。具体而言，飞秒激光器的高峰值功率水平可以最大程度地减少热扩散，并引发非线性吸收效应（在某些情况下包括多光子电离），从而能够形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。LIPSS 是周期性的纳米级特征（通常比激光波长本身还小），其在特定条件下的飞秒激光烧蚀过程中会自发出现。使用长脉宽激光器无法创建 LIPSS。

由高峰值功率飞秒脉冲引发的非线性吸收，还使这些激光器能够烧蚀几乎任何材料，包括玻璃等透明或脆性材料，以及钢铁和硅（尽管 LIPSS 特征的具体形态因材料而异），这赋予了该技术广泛的适用性。

图3：由超快激光生成的双层次表面结构，由宽约 15 µm、高 10 µm 的凸起构成，这些凸起覆盖着周期约为 700 nm 的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。

在这项特定的研究中，研究团队首先使用他们的 Spectra-Physics Spirit One 激光器，在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，重复频率 200 kHz，能量密度 6.2 J/cm²，聚焦光斑尺寸为 6 µm。在这些条件下，激光被用于制造几微米到几十微米宽的凹槽。

这些操作条件还使激光能够引发 LIPSS 现象，该现象会自动在凹槽上叠加更小的周期性特征，这些特征的典型尺寸和周期处于亚微米范围。

在最后一步，同一台 Spectra-Physics Spirit One 激光器以低得多的能量密度 ——2.1 J/cm² 运行，这样就能做到仅去除薄薄的特氟龙层，而不会影响先前制造的底层微观结构。

掌控水

随后，MKS 公司旗下 Spectra-Physics 的一个团队与福拉尔贝格大学的团队合作，继续开展这些研究。基于实验的成功，他们就其在超疏水背景上快速且灵活地制造超亲水性微图案的方法，申请了联合专利，该技术被命名为 ClearSurface。

ClearSurface 的一个明显用途是微流体。在微流体领域，控制微量流体的流动对于诸如片上实验室（lab-on-a-chip）器件、细胞培养、药物递送系统等众多应用至关重要。

使用 ClearSurface，可以构建错综复杂的微通道，将液体精确引导至所需之处。由于图案所产生的高润湿性梯度，仅靠表面张力就能将水限制在预先定义的超亲水性微通道和储液器内，水无需泵或外力推动即可在其中流动。基于激光的 ClearSurface 工艺极具灵活性，该工艺也可应用于其他流体。

图4：在 ClearSurface 技术中，使用飞秒激光对玻璃进行微结构化处理（上图）。特写镜头展示了图案区域的边缘（中图）。湿润时，水会自动在整个图案上铺开，并仅靠表面张力被限制在图案区域内（下图）。

ClearSurface 技术的一个不算新奇的应用是用于眼镜、汽车后视镜、头盔面罩和窗户等产品的防雾技术。传统防雾涂层使表面更亲水以减少水滴形成，而激光制造的超亲水表面会迫使水更均匀地铺开，根本不会形成水滴，并且它还可利用超疏水区域将水高效地完全排走。

图5：透过起雾的玻璃观察到的景象（左），以及在相同温度和湿度条件下通过经 ClearSurface 处理的玻璃观察到的景象（右）。

英国诗人塞缪尔·泰勒·柯勒律治在诗歌《古舟子咏》中叹道：“水啊水，到处都是水，却没有一滴能解渴。”这概括了一个事实：水无处不在，但并不总是呈现出我们想要的形态。通过采用飞秒激光加工技术，我们朝着控制水这种至关重要且无处不在的物质，又迈进了一步。

文章信息

本文刊载于 Novus Light Technologies Today

作者：Victor Matylitsky博士，

MKS Inc. 旗下 Spectra-Physics 产品高级产品市场经理。

转自：MKS光电解决方案

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