纖塵不染的“自清潔表面”

2020-06-16 06:43

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 長光所Light中心中國光學(xué)

封面圖來源：flickr

撰稿 | WHO HOW

研究背景

在現(xiàn)代工業(yè)中，精密的表面結(jié)構(gòu)在各個領(lǐng)域里起著重要作用，精密表面對光潔度的要求也與日俱增。表面的碎屑和污染會對其功能產(chǎn)生負面影響。

例如在食品工業(yè)中，往往需要復(fù)雜而昂貴的程序來清潔設(shè)備的表面，以確保達到食品安全標(biāo)準(zhǔn)。在光學(xué)和半導(dǎo)體元器件中，對于潔凈度的要求更是近乎苛刻。為了減少清潔過程耗費的時間和成本，自清潔表面的概念應(yīng)運而生。

實現(xiàn)自清潔表面的途徑是使材料具有超疏水性。在超疏水表面上水滴幾乎沒有粘附力，因此極難潤濕。這樣的表面不僅對水和冰具有極強的排斥性，而且僅通過水滴沿材料滾動并沿途拾起灰塵顆粒的作用使清潔變得簡易高效。受自然界中荷葉的啟發(fā)，滾動的水滴在表面上可以吸附雜質(zhì)但水滴本身卻無法粘附在表面上，隨著水滴的滑落，表面煥然如新。

在過去的幾十年中，研究人員分別提出了氣相沉積法，溶膠凝膠法，水熱合成法，靜電紡絲法等方式來實現(xiàn)自清潔表面。但是這些方法或因為使用大量化學(xué)藥品而導(dǎo)致應(yīng)用受限，或因為成本太高步驟繁瑣而無法大規(guī)模應(yīng)用。

近日，來自德累斯頓工業(yè)大學(xué)和德國弗勞恩霍夫材料研究所的研究團隊開發(fā)了一種使用激光直寫（DLW）和激光干涉直寫（DLIP）技術(shù)制作超疏水“自清潔”鋁表面的工藝，并提出了一種針對該表面的有效表征方法。

基本原理

通常來講，液滴與表面的接觸點是物質(zhì)的三相（氣-液-固）會聚之處，其能量條件以液體粘附到固體表面的形式反映出來。粘附力取決于接觸邊界處流體與固體表面的靜態(tài)接觸角，如下圖所示。如果液滴位于傾斜的表面上，則液滴兩側(cè)的接觸角將不對稱。即下坡時，前進方向的接觸角比后退方向的接觸角大。兩個方向的接觸角之差稱為接觸角滯后。

為了實現(xiàn)滾動水滴的自清潔效果，表面必須同時具有較高的靜態(tài)接觸角和較低的接觸角滯后，以便液滴可以在較低的驅(qū)動力下輕松移動和旋轉(zhuǎn)。

技術(shù)手段

樣品制備：

首先將鋁片拋光洗凈后置于激光直寫工作臺上（GF machine solution P600）。

使用14 ns的脈沖持續(xù)時間，并將重復(fù)頻率設(shè)置為30kHz。使用254 mm焦距F-theta物鏡將光束聚焦到樣品上，獲得直徑為70μm的斑點。通過控制激光功率將激光通量設(shè)置為1.06 J /cm?2;。沿樣品表面以恒定速度掃描激光束。通過這種設(shè)置處理的三角形表面結(jié)構(gòu)由3個依次形成的線狀結(jié)構(gòu)組成，其方向每次旋轉(zhuǎn)60°。平行線之間的距離（影線距離，HD）固定為50μm。如圖C所示。

之后使用激光干涉直寫技術(shù)對樣品進一步處理。

使用衍射光學(xué)元件（DOE）將激光束分成兩個子光束，并將其引導(dǎo)到一個棱鏡上使光束平行，然后使用非球面透鏡聚焦在樣品表面上。使用這種配置，可以在直徑為140μm的圓形區(qū)域內(nèi)獲得線狀干涉條紋（上圖B）。

在這項研究中，光束之間的角度設(shè)置為8.7°，以獲得7.0μm的空間周期。激光通量設(shè)置為1.93J /cm?2;，激光的重復(fù)頻率固定為1kHz。使用高精度軸（Aerotech，美國）以±2.5μm的精度在x和y方向上平移樣品。通過沿y方向移動樣本可以控制脈沖之間的重疊（Ov），最終確定命中某個位置的激光脈沖數(shù)（參見上圖D）。x方向平移（SD）主要確定了表面紋理的均勻性。

在本項研究中，Ov和SD分別為99％和141.6μm。為了獲得柱狀結(jié)構(gòu)，必須將樣品旋轉(zhuǎn)90°并重復(fù)該過程（上圖E）。結(jié)合激光直寫和激光干涉直寫技術(shù)，制備得到樣品如下圖。（a，b，c，d分別是未經(jīng)處理的鋁表面，只用激光直寫技術(shù)DLW處理的表面，只用激光干涉直寫DLIP處理的表面，結(jié)合DLW和DLIP處理的表面）

樣品表征：

本項研究的一大亮點是提供了一種新穎而有效的表征方法。與傳統(tǒng)的表征手段例如掃面電鏡和光譜分析等不同。本方法使用不同類型和大小的污垢（微粒）來系統(tǒng)表征激光結(jié)構(gòu)化樣品的自清潔效率。此外，使用高速相機詳細研究了自清潔機制，該相機能夠以每秒12,500幀的速度記錄液滴，顆粒和結(jié)構(gòu)化表面之間的界面，如下圖所示。

在兩個傾斜角度（15°和30°）下評估了樣品的自清潔性能。當(dāng)樣品傾斜時，10μl液滴在激光結(jié)構(gòu)化區(qū)域上滾動，將污染物顆粒拉走。

為了表征和測試該自清潔表面的能力，研究人員測試了三組不同的樣品。一個單獨使用DLW，一個單獨使用DLIP，另一個結(jié)合了兩種技術(shù)。接下來研究人員用污垢（氧化錳和聚酰胺顆粒）污染了每個表面，并將這些表面設(shè)置在高速攝像頭前面的傾斜平面上。然后，將水滴沿表面滾動，并使用相機評估水滴吸收和清除表面污染物的效率。研究人員發(fā)現(xiàn)，僅使用DLIP的表面以及結(jié)合使用DLW和DLIP的表面均會產(chǎn)生特別高的清潔效率。DLIP制備的表面的空間周期為7.0微米，顯示出高達99％的污染顆粒的清潔效率。

總結(jié)與展望

本項工作提出了一種可以有效制作超疏水鋁表面的方法，為食品加工檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。并且，在研究過程中使用的新穎表征方法，可以廣泛應(yīng)用在其他精細表面的表征當(dāng)中。

文章信息：

該成果以“ Characterization of self-cleaning properties on superhydrophobic aluminum surfaces fabricated by direct laser writing and direct laser interference patterning ”為題發(fā)表在 Applied Surface Science 。

論文地址：

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

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