基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面的制作方法

本发明涉及微纳米仿生加工及微流控领域，具体是一种基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面。

背景技术：

基于微纳米结构的表面张力驱动是一种无需外部能量输入就能驱动液体流动的方法，在微流控芯片中具有广阔的应用前景。为了提高微流体的运输效率和控制微流体运输的方向，人们学习并制造出具有类似动植物表皮结构的仿生表面，这种仿生表面被称为微纳米仿生表面。

微纳米仿生表面主要分为两种：1）各向同性微纳米仿生表面，即液体在表面各个方向具有相同的润湿特性，不同方向的接触角和滚动角相同，如仿生荷叶表面。2）各向异性微纳米仿生表面，即液体在表面各个方向具有不同的润湿特性，如仿生水稻叶，仿生蝴蝶表面，液体在此类表面更易沿某一特定方向传输。伴随着超快激光微纳加工技术的发展和激光与物质相互作用研究的深入开展，飞秒激光微纳加工技术用于表面结构加工中引起广泛关注。飞秒激光具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率、加工热影响小、分辨率高等优点，可在透明材料中加工三维结构，在金属、半导体和薄膜等材料表面上制备各种微纳米结构。利用飞秒激光进行表面微结构化及液体运动行为的控制也取得重要的进展，如美国Manchester大学Guo Chunlei等利用飞秒激光直写的方法在金属、玻璃、硅表面刻蚀出粗糙的微纳米结构，该结构具有超湿润特性，并发现液体能克服自身重力沿加工的沟槽从下向上移动，西安交大陈锋课题组利用飞秒激光直接扫描固态聚二甲基硅氧烷PDMS表面，刻蚀出粗糙的周期性沟槽结构，并发现在不同激光参数作用下的微结构表面粘力可控的水滴运动特性。由于飞秒激光微纳米仿生加工表面的加工效率高和加工结构可控性好，它在细胞运动控制，自清洁表面和微流控等领域具有很好的应用前景。

近年来，在微液体方向性传输、微流控装置方面，微纳米结构的表面张力驱动液体流动的能力吸引了人们广泛的兴趣。在各向异性微纳米仿生表面领域，人们利用微纳米仿生表面的各向异性结构改变表面的润湿特性，方向性控制流体运动。而不同激光能量和不同加工周期下，基于表面粗糙度可控的飞秒激光仿生加工的各向异性表面一直没有被人研究。飞秒激光微纳米仿生表面的微纳米结构可以提高表面的粗糙度，增大表面接触角和降低表面粘附力，周期性沟槽结构可以为液体在垂直于沟槽方向的滚动提供能量势垒，从而实现液体在表面各向异性滚动，两者结合的分层结构可以优化表面各向异性的润湿性质，得到大接触角，低粘附力及各向异性润湿的仿生表面，实现对表面液体流动方向和流动速度的控制。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，包括基材，其特征在于：所述基材为PDMS聚合物，所述PDMS聚合物由液态聚二甲基硅氧烷前聚物前聚物与硅酮树脂溶液固化剂混合形成，基材中固态聚二甲基硅氧烷PDMS聚合物加工为各向异性的微纳米仿生表面，所述微纳米仿生表面宏观上为周期性沟槽结构，微观上为多层微纳米乳突结构。

所述的基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，其特征在于：整个微纳米仿生表面，周期性沟槽的间隔周期为100 μm-600 μm，沟槽深度为30 μm-100 μm；

微纳米乳突结构的直径为1 μm-1.5 μm，加工表面的水平接触角为150.69^o-155.27^o，垂直接触角为155.27^o -156.99^o，水平滚动角为1.5^o -3.05^o，垂直滚动角为2.1^o-10.1^o，滚动角各向异性为0.15^o -7.1^o；

基材的PDMS聚合物中，液态聚二甲基硅氧烷前聚物液态聚二甲基硅氧烷前聚物的重量百分数为90.91%，硅酮树脂溶液固化剂的重量百分数为9.09%。

所述的基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，其特征在于：制备方法如下：首先用丙酮溶液和去离子水清洗玻璃基底，按比例将液态聚二甲基硅氧烷前聚物和硅酮树脂溶液固化剂配置好倒入玻璃基底上，液态聚二甲基硅氧烷前聚物和硅酮树脂溶液固化剂混合形成PDMS聚合物，将带有PDMS聚合物的玻璃基底放进真空室脱泡，利用匀胶机使PDMS聚合物均匀成膜，再将带有PDMS聚合物的玻璃基底放入烘箱固化，得到基材；

其次采用飞秒激光器制备微纳米仿生表面，调节好飞秒激光器光路，将基材固定在加工台上，利用步进电机控制加工台前后左右的移动，调节焦点深度，设置扫描振镜的扫描周期，扫描速率，控制飞秒激光器的脉冲能量，调控加工参数，制备出各向异性的微纳米仿生表面；

最后利用丙酮，酒精和去离子水对微纳米仿生表面进行清洗。

所述的基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，其特征在于：制备过程中，飞秒激光中心波长为800 nm，脉宽为100 fs，重复频率1 kHz，脉冲能量为50 mW-450 mW，扫描周期为100 μm-600 μm，扫描速率为1 mm/s；基材的制备过程中，液态聚二甲基硅氧烷前聚物与硅酮树脂溶液固化剂的重量比为10：1，PDMS聚合物在真空室内脱泡30 min，成膜过程中调整匀胶机的转速为500 r/min，匀胶10 s，使胶铺开，再设置转速2500 r/min，匀胶30 s，使胶均匀铺平，PDMS聚合物放置在60^o的烘箱中3 hours，整个基材厚度约5 mm。

本发明首先用液态聚二甲基硅氧烷前聚物和硅酮树脂溶液固化剂混合形成PDMS聚合物制备基材，再利用飞秒激光加工超强激光与材料的非线性作用，在PDMS聚合物表面进行扫描加工，制成微纳宏三级结构的各向异性超疏水仿生表面。本发明的优点是基于能量调节飞秒激光仿生加工非线性效应可以能够实现高效率、微纳尺度下的多级微结构制备。同时由于加工过程首先进行低能量，小周期的预扫描，使整个表面粗糙度均匀，保证不同扫描周期的表面在加工完成后，均具有超疏水特性，且接触角相近，实现了对水稻叶表面超疏水，低粘附力且各向异性特性的仿生。

当飞秒激光脉冲能量和扫描周期改变时，加工表面的表面形貌发生改变，对仿生表面的各向异性滚动润湿性也相应发生了改变，这说明此发明可以有效改变仿生表面对液体流动方向控制的能力。

目前，实现微纳宏三级结构的各向异性超疏水仿生表面的主要技术有，干涉光刻、微成型、表面起皱、反应离子刻蚀和掩模光刻，这些方法普遍需要三次以上的加工步骤，和已有的制备方法相比，本发明使用飞秒激光进行重复扫描加工，是一种高效的一步式加工方法，其加工扫描速度快（>1mm/s），加工范围大（>40 mm*30 mm），且保证加工过程中清洁无化学污染，这一技术在未来微流控，自清洁和细胞定性传输等应用中具有很大的应用前景。

附图说明

图1a是与本发明实施例一致的飞秒激光加工光路的示意图。

图1b是与本发明实施例一致的飞秒激光表面扫描加工的示意图。

图2a是与本发明实施例一致的水稻叶微纳宏三级结构模型示意图。

图2b是与本发明实施例一致的飞秒激光加工后PDMS基底的照片。

图2c是与本发明实施例一致的仿生水稻叶沟槽电镜图，图2d是仿生表面微纳米结构电镜图。

图3a是与本发明实施例一致的液体在仿生水稻叶表面平行于沟槽方向滚动受力示意图，图3b液体在仿生水稻叶表面垂直于沟槽方向滚动受力示意图，图3c是液体在基底与底面倾角为θ，沟槽与基底边沿倾角为α时，受力示意图。

图4a是与本发明实施例一致的不同脉冲能量，不同扫描周期对应平行于沟槽方向滚动角实验数据图。

图4b是与本发明实施例一致的不同脉冲能量，不同扫描周期对应垂直于沟槽方向滚动角实验数据图。

图5是与本发明实施例一致的不同扫描周期仿生水稻叶表面对应各向异性滚动实验数据图。

具体实施方式

基于能量调节飞秒激光仿生加工的各向异性微纳米表面，包括仿生表面及一定厚度基材，仿生表面为周期性沟槽结构与微纳米乳突结构的分层结构表面，基材制备有PDMS聚合物的玻璃基底构成，PDMS聚合物为固态聚二甲基硅氧烷（PDMS）前聚物和硅酮树脂溶液固化剂混合形成。

整个PDMS聚合物表面，周期性沟槽的间隔周期为100 μm-600 μm，沟槽深度为(数字和单位之间要空格)30 μm-100 μm，表面微纳米结构乳突的直径为1 μm-1.5 μm，加工表面的水平接触角为150.69o-155.27o，垂直接触角为155.27o -156.99o，水平滚动角为1.5o -3.05o，垂直滚动角为2.1o-10.1o，滚动角各向异性为0.15o -7.1o。

构成基材的PDMS聚合物中液态聚二甲基硅氧烷前聚物的重量分数为90.91%，硅酮树脂溶液固化剂的重量分数为9.09%。

加工过程中，飞秒激光中心波长为800 nm，脉宽为100 fs，，重复频率1 kHz，脉冲能量为50 mW-450 mW，扫描周期为100 μm-600 μm，扫描速率为1 mm/s；基材的制备过程中，构成基材的PDMS聚合物中，液态聚二甲基硅氧烷前聚物与硅酮树脂溶液固化剂的重量比为10：1，PDMS聚合物在真空室内脱泡30 min，成膜过程中调整匀胶机的转速为500 r/min，匀胶10 s，使胶铺开，再设置转速2500 r/min，匀胶30 s，使胶均匀铺平，PDMS聚合物放置在60o的烘箱中3 hours，基材厚度约5 mm。

制备方法如下：首先用丙酮溶液和去离子水清洗玻璃基底，按比例将液态聚二甲基硅氧烷前聚物和硅酮树脂溶液固化剂配置好倒入基底中，将PDMS聚合物放进真空室脱泡，利用匀胶机使PDMS聚合物均匀成膜，再将该PDMS聚合物放入烘箱固化，得到基材；调节好光路，将基材固定在加工台上，利用步进电机控制加工台前后左右的移动，调节焦点深度，设置扫描振镜的扫描周期，扫描速率，控制飞秒激光的脉冲能量，调控加工参数，制备出各向异性的微纳米仿生表面，利用丙酮，酒精和去离子水对被加工表面进行清洗。

本发明首先用液态聚二甲基硅氧烷前聚物和硅酮树脂溶液固化剂制备玻璃基底上的PDMS聚合物，构成基材，再利用飞秒激光加工超强激光与材料的非线性作用，在PDMS表面进行扫描加工，制成微纳宏三级结构的各向异性超疏水仿生表面，实现了高效率、微纳尺度下的多级微结构制备。

制备微纳米仿生各向异性表面的制作过程见图1。

第一步：调节飞秒激光器参数及加工系统光路。设置飞秒激光器(Legend Elite-1K-HE, Coherent, America)中心波长800 nm，脉宽100 fs，重复频率100 kHz。激光器参数稳定后，调节加工光路系统。利用光阑，四分之一波片，极化分光镜的组合设置激光脉冲能量（50 mW-450 mW）和飞秒激光偏振状态，调节扫描振镜，保持激光水平扫描，设置扫描振镜扫描路径（逐行扫描），周期（50 μm-600 μm），面积（40 mm*30 mm）及速率（1 mm/s）。

第二步：表面粗糙度预扫描。将制作好的基材放在加工平台上，调节加工平面与激光焦点的距离，使加工平面离焦2.66 mm,使用脉冲能量为50 mW，扫描周期为50 μm，扫描速率为1 mm/s的参数进行加工，得到表面粗糙度均匀的超疏水微纳米表面。

第三步：二次扫描沟槽加工。调节脉冲能量（50 mW-450 mW），扫描周期（100 μm-600 μm），对已预扫描的PDMS表面进行二次扫描，加工出周期为100 μm-600 μm的沟槽结构，得到仿生水稻叶表面，并使用丙酮，酒精和去离子水对被加工表面进行清洗。。

图2a是水稻叶微纳宏三级结构模型示意图, 图2b是激光加工后基材的照片, 图2c是电子扫描显微镜拍摄的仿生水稻叶沟槽截面图(SEM, JSM-6700F, JEOL, Tokyo, Japan)，图2d是仿生表面微纳米结构的电镜图。

图3是液体在这种微纳米仿生加工各向异性表面的受力分析示意图。

图4是在接触角测量仪(CA100D, Innuo, China)上测得的，不同扫描周期对应平行于沟槽方向及垂直于沟槽方向滚动角实验数据图。

图5是在实验中测得的不同扫描周期仿生水稻叶表面对应各向异性滚动实验数据图。