長(zhǎng)春光機(jī)所在飛秒激光制備無(wú)涂層持久超疏水表面研究取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬表面超疏水在自清潔、防腐、減阻和防冰等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用，由此受到了國(guó)內(nèi)外研究者們多年的廣泛關(guān)注，并已取得諸多研究和應(yīng)用進(jìn)展。
 

　　然而，當(dāng)前金屬表面超疏水性能的實(shí)現(xiàn)大都仍依賴于傳統(tǒng)的二元協(xié)同設(shè)計(jì)思想，即首先在材料表面制作微/納米結(jié)構(gòu)，然后再采用低表面能有機(jī)物進(jìn)行修飾。毫無(wú)疑問(wèn)，這種依靠粘附涂層的設(shè)計(jì)在實(shí)際腐蝕性環(huán)境(例如海水)中很容易遭受侵蝕性離子的滲透、導(dǎo)致涂層分解、疏松和剝落等風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)超疏水化學(xué)耐久性的顯著下降。特別是，由于化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的材料表面能變化會(huì)對(duì)液體滾動(dòng)角產(chǎn)生顯著影響，使得超疏水表面性能難以在長(zhǎng)時(shí)間范圍獲得良好維持。這對(duì)眾多實(shí)際應(yīng)用而言，是一個(gè)長(zhǎng)期面臨的普遍難題。
 

　　為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所微納光子學(xué)與材料國(guó)際實(shí)驗(yàn)室楊建軍團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出飛秒激光元素?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)(FLEM)與循環(huán)低溫退火(RLA)相結(jié)合的研究方法，在金屬鋁合金表面構(gòu)建了一種以次晶相態(tài)為主導(dǎo)的仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)(BAT)，成功實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動(dòng)超疏水效果。其中，獨(dú)特的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣捕獲的穩(wěn)定利用，而次晶相態(tài)形成則可以大幅度地降低材料表面自由能，從而讓金屬表面展現(xiàn)了獨(dú)具特色的超疏水化學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，該金屬樣品即使在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)2000小時(shí)的腐蝕性鹽水浸泡后，其表面依然能夠保持良好的超疏水性能。不僅如此，這種結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能也尤為突出，在經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的電化學(xué)反應(yīng)測(cè)試后，材料表面的超疏水特性也依然能夠保持，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的腐蝕電流更是低至10-12A/cm2，較未加工樣品表面的情況降低了5個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，研究發(fā)現(xiàn)這種自主性的超疏水金屬表面也能承受住不同酸堿溶液浸泡、紫外輻射和冷凍循環(huán)等多種苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)與沈陽(yáng)金屬研究所的馬會(huì)老師團(tuán)隊(duì)攜手合作，運(yùn)用從頭計(jì)算方法，從理論層面進(jìn)一步驗(yàn)證了次晶相態(tài)形成對(duì)于材料表面能降低和化學(xué)穩(wěn)定性提升所起的重要貢獻(xiàn)。
 

　　相關(guān)工作有效解決了金屬表面極端拒水性持久保持的關(guān)鍵難題，這一突破不僅為超疏水領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的前景，還為基于原子尺度調(diào)控的高性能材料表面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了全新的研究思路。該研究以題為“Durable Organic Coating-Free Superhydrophobic Metal Surface by Paracrystalline State Formation”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。
 

　　中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所微納光子學(xué)與材料國(guó)際實(shí)驗(yàn)室楊建軍研究員，鄒婷婷助理研究員和沈陽(yáng)金屬所馬會(huì)副研究員。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士生閆丹丹，沈陽(yáng)金屬所博士生徐文靜為論文共同第一作者。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。