[发明专利]一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，具体涉及一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法。

背景技术

润湿性(wettability)是固体表面的一个重要特征，无论在人们的日常生活还是在工农业生产中都发挥着重要的作用。固体表面润湿性主要取决于表面粗糙度和表面自由能，其大小通常由液滴与固体表面的接触角来衡量。以水为例，一般来说静态接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，静态接触角大于90°的固体表面称为疏水表面。特别地，静态接触角小于10°的固体表面称为超亲水表面，静态接触角大于150°的固体表面称为超疏水表面。根据Wenzel理论：cosθ_R＝rcosθ₀，其中，θ₀为液体在光滑固体表面的接触角，θ_R为液体在同种固体的粗糙表面的接触角，r为固体表面的粗糙度因子，r＞1。由Wenzel方程可知，当θ₀＜90°时，θ_R＜θ₀，同时θ_R随着r的增加而降低；当θ₀＞90°时，θ_R＞θ₀，同时θ_R随着r的增加而增加。也就是说，表面粗糙度使得固有亲水的固体表面更加亲水，固有疏水的固体表面更加疏水。

利用脉冲激光束进行激光扫描刻蚀是改变表面粗糙度的一种常用方法。激光扫描刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，实现刻槽或打孔的加工效果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。激光扫描刻蚀加工的方式主要有激光直写方式和振镜扫描方式。激光直写方式的原理是将激光束通过透镜聚集成尽可能小的强度均匀的光点，聚焦在加工件表面上，由计算机系统控制精密工作台在X-Y平面内进行光束扫描运动，而在Z方向上控制进给以及控制不同位置的激光通断状态来实现三维深层刻蚀。这种方法容易与计算机数控技术相结合，能制作出较为复杂的三维立体微结构。振镜扫描方式的工作原理是将从激光器谐振腔中导出的激光通过扩束，经过垂直安装、由伺服电机驱动的一对折返镜的反射，由扫描聚焦透镜聚焦后输出作用于待加工对象上。X、Y轴激光平面反射镜的转动使工作平面上的激光聚焦光斑分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光聚焦光斑可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动，光束入射角与像面上的光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制光斑在像面上的位置。

外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性有很大的影响，可以实现固体表面亲-疏水性之间的转换。如江雷等人在透明的SnO₂纳米棒表面通过紫外光照射及黑暗中存放使该性质得到了实现。他们制备的SnO₂的表面接触角在紫外光照射下由(154.1±0.9)°变到了0°，黑暗中存放一段时间后又恢复超疏水性，并且薄膜显示半导性质。张希等人直接用水热法制备了玫瑰花状的纳米结构薄膜，该薄膜展示了极好的超亲水性，40ms内就可吸附4μL的水滴。此外，在进一步修饰后，薄膜由超亲水性变成超疏水性，接触角为154°，倾斜角小于3°。王其华等人将0.1g聚苯乙烯溶解在20mL四氢呋喃中，然后把直径20nm的SiO₂分颗粒散其中，制备了一种特殊薄膜，通过控制干燥温度和SiO₂的含量就能使其性质由超亲水变成超疏水。浦项科技大学的Kilwon Cho等制备了玫瑰花状纳米V₂O₅薄膜，因为V₂O₅在紫外光照射下显示光致亲水特性，所以该种薄膜在紫外光照射下有超亲水性质，黑暗存放一段时间后，水接触角回降，亲水性下降，一段时间后表现为超疏水性能。