梯度潤濕性圖案化表面的制備及其輸運性能研究

劉前凱，張杰，孫鵬程,2，王建平，趙威，楊吟飛，趙國龍，陳妮，李亮，何寧，郝秀清*

梯度潤濕性圖案化表面的制備及其輸運性能研究

劉前凱1，張杰1，孫鵬程1,2，王建平1，趙威1，楊吟飛1，趙國龍1，陳妮1，李亮1，何寧1，郝秀清1*

（1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016；2.香港城市大學 機械工程系，香港 999077）

針對液體輸運距離短、速度慢等問題，提出一種基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，該表面能有效改善液滴的輸運性能。對鋁合金表面依次進行預處理、激光加工基底、低表面能改性處理和激光加工箭形親水圖案，得到具有良好輸運性能的圖案化表面。深入研究激光掃描速度對鋁合金表面形貌和潤濕性的影響。隨著激光掃描速度的提高，表面微結構由“微納分層結構”逐漸變?yōu)椤皝單⒚捉Y構”，鋁合金表面的粗糙度逐漸變小，導致表面靜態(tài)接觸角由150°左右降至107°左右，動態(tài)接觸狀態(tài)由滾動狀態(tài)變?yōu)獒斣鸂顟B(tài)。另外，隨著掃描速度的增加，基底表面O的質量分數(shù)從11.2%降至7.7%，F(xiàn)的質量分數(shù)從17.6%降至10.6%，表明表面氧化物減少，導致表面對含F(xiàn)有機物的吸附能力減弱，進而導致表面疏水性降低。液滴在基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面上的輸運距離可達到61 mm，相較于均勻疏水基底，提高了34%。采用梯度激光掃描速度和低表面能處理可簡單、快速地獲得梯度疏水基底，相較于基于均勻疏水基底的圖案化表面，液滴在基于梯度疏水基底的圖案化表面上的輸運性能得到顯著提高，液滴自發(fā)、定向和高性能的輸運在水收集裝置、傳熱設備等方面具有廣闊的應用前景。

納秒激光；梯度疏水基底；箭形親水圖案；輸運距離；潤濕性；定向輸運

液滴的自發(fā)、定向輸運具有較大的實際應用價值，可應用于微流控、水收集及傳熱設備等方面[1-4]。目前，驅動液滴自發(fā)輸運的主要方式為構建表面梯度特征，具體包括形狀梯度、表面能梯度和粗糙度梯度等[5]。這些單梯度驅動液滴的方式普遍存在輸運性能不佳的問題，極大地限制了自輸運技術的應用。例如，潤濕梯度已被廣泛用于液滴運輸，如果將潤濕梯度力作為唯一的驅動力，則液滴的運輸性能較差[6-10]。在形狀梯度方面，Huang等[11]設計了一種由超疏水基底和親水軌道組成的新型竹狀無泵平臺，可實現(xiàn)液滴無損輸運，液滴輸運性能得到顯著提高，其平均輸運速度可達到57.88 mm/s左右，最遠輸運距離可達到107 mm左右。由于竹狀無泵平臺運輸液滴的體積為100～300 μL，因而它的應用場景受到限制。近年來，通過將潤濕梯度和形狀梯度相結合的多梯度驅動液滴方法受到廣泛關注。

潤濕梯度表面主要通過粗糙度梯度和表面能梯度兩種方法來構建。近年來，國內外研究者已經(jīng)提出了多種潤濕梯度表面的制備方法，如化學氣相沉積[12]、靜電紡絲[13-14]、3D打印[15-17]、光刻涂覆法[18]和激光刻蝕[19-22]等。Feng等[23]通過梯度陽極氧化方法在多錐體表面構建了潤濕梯度表面，開發(fā)了一種多錐體與潤濕梯度復合的表面，液體運輸至2個錐體的連接處時，在拉普拉斯壓力差和潤濕梯度的共同作用下液滴順利通過。Gurera等[24]通過3D打印技術構建了丙烯酸聚合物單錐體，采用紫外線光照和掩膜技術，并通過控制光照時間，在單錐體表面制備了具有潤濕梯度的表面，該錐體的集水效率得到顯著提高。Li等[25]將具有楔形掩模的銅塊放入Ag(NH3)2OH溶液中反應，通過控制溶液的用量制備了一種內部存在潤濕梯度的楔形表面，液滴（5 μL）在該表面的運輸距離最遠可達到21.6 mm左右，平均運輸速度約為0.53 mm/s。Deng等[26]通過梯度陽極氧化方法處理石墨板，形成了潤濕梯度表面，然后用疏水材料涂覆，以確保周圍疏水，最后剝離楔形疏水圖案，以在可濕性梯度表面構建拉普拉斯壓力梯度，液滴（2 μL）在其表面可實現(xiàn)2.6 mm左右的輸運。Rossegger等[27]通過不對稱照射光敏聚合物，制造了一種具有潤濕梯度和拉普拉斯壓力梯度的復合梯度表面，這2個梯度的結合使得液滴（2 μL）實現(xiàn)了長達10 mm左右的快速定向移動。上述潤濕梯度表面的制備方法存在工序復雜、加工時間長等問題，難以滿足實際生產(chǎn)的需求。目前，關于潤濕梯度和形狀梯度的復合表面研究大多存在速度低、輸運距離短等問題，這阻礙了液滴輸運在實際環(huán)境中的應用，因而有必要探索一種可以實現(xiàn)液滴長距離、定向和高速輸運的表面。

文中采用納秒激光加工與低表面能處理相結合的方法制備一種基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，該方法工藝簡單，且具有經(jīng)濟性和可靠性。通過研究掃描速度對表面潤濕性的影響，進而實現(xiàn)梯度疏水基底的制備。此外，相較于基于均勻疏水基底的潤濕性圖案化表面，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的液滴輸運性能得到顯著提高，證明梯度疏水基底能夠改善親水圖案的輸運性能，這為多梯度驅動液滴提供了新的思路，有助于水收集裝置、傳熱設備和生物實驗設備的開發(fā)。

1 試驗

1.1 基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的制備

基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面加工過程可以分為激光加工基底、低表面能改性處理和激光加工箭形親水圖案3個步驟，如圖1所示。具體工藝流程如下。

圖1 基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面加工過程

1）樣品前處理。首先將6061鋁合金板（120 mm × 20 mm × 5 mm）放入體積分數(shù)為 99%的無水乙醇中，采用超聲波清洗10 min，然后用吹風機冷風吹干。

2）激光加工基底。將前處理后的鋁合金板置于納秒激光平臺上，然后以梯度掃描速度在鋁合金表面進行激光掃描，形成梯度親水基底。激光的掃描方式：從相互垂直的2個方向掃描，每個掃描方向各加工1次。所用的加工設備為納秒激光器（SK-CX20，上海三克激光科技有限公司），其波長為1 064 nm，脈沖寬度為200 ns，最大功率為20 W，頻率為20～100 kHz。

3）低表面能改性處理。將干燥后的已加工表面置于質量分數(shù)為0.8%的十七氟硅烷（FAS-17）中浸泡1 h，對其進行氟化處理，浸泡后自然風干，形成梯度疏水基底。梯度疏水基底由多個長方形單元無縫連接而成，每個長方形單元內部的潤濕性一致，沿著方向，長方形單元的疏水性不斷下降，導致基底表面疏水性離散下降。這里制備了4種具有不同平均潤濕梯度（）的疏水基底，不同梯度疏水基底的激光加工參數(shù)如表1所示。根據(jù)長方形單元的疏水性沿著方向的下降幅度來定義，計算公式：=Δ。其中，Δ為計算區(qū)域的第1個長方形單元與最后一個長方形單元的接觸角之差，為計算區(qū)域的長度。

4）激光加工箭形親水圖案。采用相同掃描速度的激光在梯度疏水基底上加工箭形親水圖案，便于液滴運輸。由于激光在空氣中加工會產(chǎn)生高表面能，使得圖案具有超親水特性，接觸角約為0°，圖案內部的潤濕性一致，加工親水圖案的參數(shù)見表2。至此，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面制備完成，其中圖案內部為均勻的超親水性，圖案外部呈現(xiàn)梯度疏水性。

表1 用于加工箭形圖案化表面的不同梯度疏水基底的激光參數(shù)

Tab.1 Laser parameters of different hydrophobic substrates for preparation of arrow-shaped patterned surfaces

表2 用于加工親水圖案的激光參數(shù)

Tab.2 Laser parameters for the preparation of hydrophilic patterns

1.2 性能表征

采用掃描電鏡（SEM，Quanta250FEG，F(xiàn)EI，美國）和三維光學輪廓儀（Sneox，Sensofar，西班牙）的共聚焦顯微鏡分別測量表面形貌和三維輪廓。表面化學成分的測量通過掃描電鏡的能譜分析單元（EDS）實現(xiàn)。這里采用接觸角測量儀（OCA25HTV，Dataphysics，德國）測量表面接觸角（）和滾動角（），測量所用液體為去離子水（南京化學試劑股份有限公司），液滴的體積為5 μL。在測試過程中，選取表面5個不同的位置，并取其平均值。在自輸運實驗前，需要對親水圖案進行預潤濕，即提前滴入幾滴液體（每滴液體的體積為5 μL）潤濕親水圖案，這樣可以消除毛細現(xiàn)象對液滴運輸能力的影響。文中的圖片由配備微型鏡頭（SEL90M28G，日本索尼公司）的商用相機（索尼α7，日本）拍攝。液滴的自輸運過程通過工業(yè)相機（OSG030-815UC，OSG230-150UM，YVSION，中國）拍攝，通過單位移動距離除以所用時間，得到液體的輸送速度。

2 結果與分析

探究了掃描速度對基底表面潤濕性的影響，進而實現(xiàn)對基底表面潤濕性的精準控制，并探究了基底表面形貌和化學成分對表面潤濕性的影響，并測試了基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的輸運性能。

2.1 激光掃描速度對表面潤濕性的調控及內在機理分析

基底表面潤濕性主要受到表面形貌的影響，表面形貌與潤濕性之間的關系如圖2所示。當掃描速度為200 mm/s時，表面被加工為不規(guī)則的微米級凸起，納米級凸起附著在微米級突起上，形成了分層的微納米結構，導致表面的固液接觸面積較小，表面疏水性較大，此時表面的靜態(tài)接觸角（）和滾動角（）分別約為150°和5.6°。隨著掃描速度的增加，微米級凸起的尺寸逐漸變小，納米級凸起消失，固液接觸面積增加，導致表面疏水性下降。在8 000 mm/s的激光掃描速度下加工后，基底的靜態(tài)接觸角約為107°，液滴在表面處于釘扎狀態(tài)。此外，僅氟化處理過的基底，其表面并無微凸起，存在亞微米級凸起，導致其表面疏水性最低，約為91°。激光掃描速度對基底表面潤濕性的影響如圖3所示，隨著激光掃描速度的增加，表面的動態(tài)接觸性能和疏水性不斷下降。

通過三維光學輪廓儀探究了激光掃描速度對基底表面粗糙度和表面輪廓尺寸的影響，如圖4所示。結果表明，隨著掃描速度的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)減小的趨勢。另外，未加工表面的粗糙度最小，基底表面的微納凸起結構的深度逐漸減小，微納凸起之間的間隔逐漸增加。當掃描速度為200 mm/s時，凸起深度和凸起間隔分別約為28、40 μm。當掃描速度達到8 000 mm/s時，凸起深度和凸起間隔分別約為11.6、89 μm，在未加工表面上凸起的深度和凸起間隔都小于1 μm。基于納秒激光的脈沖特性，會存在光斑的重復率，隨著掃描速度的增加，光斑的重復率下降。一方面，導致微納結構的數(shù)量減少，微納結構在垂直于激光路徑方向的間距增加；另一方面意味著單位面積材料吸收的能量降低，會有更少的材料達到材料去除閾值，進而導致微納結構的深度降低。

圖2 不同掃描速度下基底表面形貌的SEM圖像

圖3 激光掃描速度對表面潤濕性的影響

圖4 在不同激光掃描速度下加工基底的表面粗糙度和表面輪廓尺寸

表面潤濕性不僅受到表面形貌的影響，還受到表面化學成分的影響。對不同激光掃描速度下加工的基底表面化學成分進行了EDS能譜分析，值得注意的是，隨著掃描速度的增加，基底表面的O和F元素的含量逐漸下降，如圖5和圖6所示。隨著掃描速度的增加，光斑重復率降低，這意味著單位面積材料吸收的能量降低，導致燒蝕引起的氧化反應減弱，氧化物不斷減少，使得O的含量不斷下降，其質量分數(shù)從11.2%降至7.7%。由于金屬氧化物本身為親液性[8]，氧化物會對氟化液中的非極性有機物（含氟）進行吸附[28-29]，進而降低表面能，形成疏水表面。隨著掃描速度的增加，基底表面的氧化物逐漸減少，表面吸附能力減弱，F(xiàn)的質量分數(shù)從200 mm/s時的17.6%減至8 000 mm/s時的10.6%，導致基底表面疏水性降低（從150°左右降至107°左右）。此外，未經(jīng)激光加工表面的氧化物最少（4.8%），表面吸附能力最弱，導致氟的含量最低（質量分數(shù)1.5%），疏水性最差（約為91°）。

圖5 在不同激光掃描速度下加工的基底表面O元素和F元素的質量分數(shù)

2.2 輸運性能測試

基于激光掃描速度對基底表面潤濕性的影響規(guī)律，這里制備了基于不同梯度疏水基底的箭形圖案化表面，以探究潤濕梯度對液滴輸運性能的影響。箭形圖案由長度2 mm的楔形箭頭和長度70 mm的矩形箭桿組成，其中楔形箭頭會產(chǎn)生拉普拉斯壓差，可為液滴提供初速度。矩形箭桿可為液滴提供運動軌道，箭桿兩側由14個不同的疏水部分無縫連接而成，該基底的每個單獨部分內部的潤濕性均勻。隨著疏水性的下降，基底表面的接觸角隨著的增大而離散下降。液滴在箭桿區(qū)域不僅會接觸親水圖案，而且會部分接觸疏水性漸變的基底，因而由梯度疏水基底產(chǎn)生的潤濕梯度力會進一步影響液滴的輸運性能。針對具有潤濕梯度的基底，基底的平均潤濕梯度（）直接影響潤濕梯度力（W），W的計算見式（1）[23]。文中制備了4種具有不同平均潤濕梯度的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，根據(jù)疏水性下降幅度的不同，4種表面的平均潤濕梯度分別為0、0.28、0.38、0.52 (°)/mm，這里取箭桿的P1～P13部分為平均潤濕梯度的研究對象。

圖6 在不同激光掃描速度下基底表面的EDS能譜圖

在進行自輸運實驗前，預先潤濕親水圖案，可以消除毛細管力對自傳輸?shù)挠绊?。這里重點研究梯度疏水基底對圖案輸運性能的影響，箭頭僅為了提供初速度，且箭頭附近的潤濕性不會變化，因此以箭頭和箭桿的連接處為的起點，位移和速度的測量均以液滴在箭桿上的運動過程為研究對象。實驗通過在起始端注入體積為25 uL的液滴，用高速攝像機監(jiān)測其運動過程，液滴在分別為0.38、0 (°)/mm的表面上的輸運過程如圖7a～b所示。如圖7c所示，隨著平均潤濕梯度的增加，液滴的最遠輸運距離max呈先升高后下降的趨勢，液滴在為0.38、0 (°)/mm的表面上的max分別約為61、46 mm，這是4種表面中的最大值和最小值，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面相較于均勻疏水基底，提高了34%，表明梯度疏水基底可以明顯提高液滴的輸運距離。液滴在0.38 (°)/mm時的平均輸運速度可達到60 mm/s左右。如圖7d所示，在液滴運動至5 mm處時，基于相同的構造及單楔形的驅動方式，液滴在不同表面上的輸運速度基本相同；液滴在所有梯度潤濕性箭形圖案化表面上的速度明顯高于無潤濕梯度表面，表明潤濕梯度起到了增強驅動力的作用，幫助液滴克服了阻力，使得液滴的速度下降得更慢。隨著的增大，液滴在0.38 (°)/mm的圖案化表面上的輸運速度的優(yōu)勢越大。

值得注意的是，平均潤濕梯度的不斷增加會反過來限制液滴的輸運距離。這是因為梯度疏水基底整體的動態(tài)接觸性能也在不斷下降，導致出現(xiàn)較強的滯后效應，反過來阻礙了液滴的運動[30]。固體表面的動態(tài)接觸性能可由滾動角來衡量，較大的滾動角意味著液滴在表面運動較困難，表明具有較小的動態(tài)接觸性能。如圖8a所示，較大的平均潤濕梯度意味著基底表面接觸角沿方向的下降幅度較大。針對激光加工表面，接觸角的下降幅度較大，表明表面動態(tài)接觸性能下降得較快，隨著的增加，液滴在具有較大平均潤濕梯度的基底上的動態(tài)接觸狀態(tài)會更快由滾動狀態(tài)轉為釘扎狀態(tài)，基底所受的整體滯后效應更大，如圖8b所示。針對0.38 (°)/mm的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，在保證一定潤濕梯度的前提下，同時表面的整體滯后效應并不嚴重，因而實現(xiàn)了最佳的輸運效果。

2.3 輸運機理分析

基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面主要分為箭頭區(qū)域和箭桿區(qū)域，這里對液滴運動至不同位置的受力情況進行了分析。在箭頭處，液滴受到由楔形軌道產(chǎn)生的拉普拉斯力的驅動，進而使液滴獲得了一個較大的初速度，拉普拉斯力（L）的計算見式（2）[31]。液滴在楔形軌道上受到接觸線上表面張力的作用，接觸線主要分為楔形軌道、液滴前端和液滴尾部。由于楔形軌道的存在使得液滴所受的表面張力不平衡，進而出現(xiàn)拉普拉斯力，它將克服滯后阻力，推動液滴向前運動，如圖9a所示。

式中：S(x)為液滴的橫截面積；w(x)為親水圖案的寬度；θ(x)為液滴沿疏水性和親水性區(qū)域之間邊界的接觸角。

圖8 不同疏水梯度基底下箭形圖案化表面不同位置的潤濕性能

當液滴運動至箭桿處時，液滴主要受到潤濕梯度力（W）的驅動，克服了滯后阻力，向前運動，如圖9b所示。液滴不僅只接觸矩形軌道的親疏水邊界，還會部分接觸梯度疏水基底，即存在一部分接觸線處于梯度疏水基底上。當液滴橫跨2個不同潤濕性質的表面時，由于液滴在2個表面的接觸角并不一致，導致表面張力不平衡，從而產(chǎn)生了潤濕梯度力，液滴將由低潤濕性表面向高潤濕性表面遷移，不平衡力（dW）的計算見式（3）[32]。針對梯度疏水表面，基底由多個潤濕性質不同的表面連接組成，通過對液滴受到的dW進行積分，可獲得W，計算見式（3）。

圖9 液滴所受驅動力分析

式中：sg和sl分別為固–氣界面和固–液界面的表面張力；d為液滴截面的厚度；A、B分別表示低潤濕性位置和高潤濕性位置。

液滴在整個運動過程中主要受到的阻力為滯后力（H），滯后力反映液滴在表面運動的難易程度，滯后力越小則液滴越容易運動，其計算見式（4）[31]。由式（5）[30]可知，接觸角滯后與滾動角呈正相關，滾動角越大，則滯后效應越嚴重，液滴越難運動。

式中：a、r分別為前進角和后退角；T為固–液–氣三相接觸線的長度；為重力加速度；為滾動角；、為液滴的質量和寬度。

在輸運實驗中，液滴在為0.38、0.52 (°)/mm的梯度疏水基底上的最遠輸運距離分別約為61、52 mm，潤濕梯度的增加反而導致輸運距離的下降。這是因為在=0.52 (°)/mm的梯度疏水基底上滾動角上升得最快，液滴在其上受到的整體滯后效應最大，滯后效應帶來的阻力超過了潤濕梯度力增加所引起的驅動作用，凈合力減小。

通過以上分析，在拉普拉斯力和潤濕梯度力的作用下，液滴在梯度潤濕性箭形圖案化表面實現(xiàn)了高性能輸運。另外，由潤濕梯度的增加引起的滯后效應增大會反過來阻礙液滴的運動，因而在構建梯度疏水基底時，應當在保證一定潤濕梯度的前提下，盡量減小表面的滾動角，以削弱滯后效應。

3 結論

1）提出了一種適用于液滴輸運的梯度潤濕性箭形圖案化表面，通過梯度疏水基底來改善親水圖案的輸運性能，為形狀梯度與潤濕梯度組合輸運液滴提供了新的思路。

2）研究了激光掃描速度對鋁合金基底表面潤濕性的影響規(guī)律。當激光掃描速度由200 mm/s增至 8 000 mm/s，基于表面形貌和表面化學成分的變化，基底表面靜態(tài)接觸角由150o左右減至107o左右。

3）驗證了梯度疏水基底對提高箭形圖案化表面輸運性能的作用。體積為25 μL的液滴在平均潤濕梯度為0.38 (°)/mm的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面上，能夠以60 mm/s左右的平均速度，實現(xiàn)61 mm左右的輸運距離，相較于均勻疏水基底提高了34%。

[1] LU Wei-qin, ZHANG Rong-jun, TOAN S, et al. Micro-channel Structure Design for Hydrogen Supply from Methanol Steam Reforming[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 429: 132286.

[2] LUO Yu-qiong, SONG Fei, XU Chen, et al. Bioinspired Fabrication of Asymmetric Wood Materials for Directio-nal Liquid Manipulation and Transport[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 383: 123168.

[3] ZHENG Yong-mei, BAI Hao, HUANG Zhong-bing, et al. Directional Water Collection on Wetted Spider Silk[J]. Nature, 2010, 463(7281): 640-643.

[4] 孫鵬程, 郝秀清, 牛宇生, 等. 液體自輸送功能性表面及其應用[J]. 表面技術, 2021, 50(1): 71-93. SUN Peng-cheng, HAO Xiu-qing, NIU Yu-sheng, et al. Functional Surfaces for Spontaneous and Directional Fluidic Transport and Their Applications[J]. Surface Technology, 2021, 50(1): 71-93.

[5] 原子超, 詹海洋, 劉聰, 等. 浸潤性表面液滴定向輸運研究進展[J]. 表面技術, 2021, 50(8): 1-17. YUAN Zi-chao, ZHAN Hai-yang, LIU Cong, et al. Research Progress on Droplet Directional Transport on Wetting Surfaces[J]. Surface Technology, 2021, 50(8): 1-17.

[6] LIU Chao-ran, SUN Jing, LI Jing, et al. Long-Range Spontaneous Droplet Self-Propulsion on Wettability Gradient Surfaces[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 7552.

[7] LOWREY S, MISIIUK K, BLAIKIE R, et al. Survey of Micro/Nanofabricated Chemical, Topographical, and Com-po-und Passive Wetting Gradient Surfaces[J]. Langm-uir, 2022, 38(2): 605-619.

[8] SHCHEDRINA N N, KUDRYASHOV S I, MOSKVIN M K, et al. Elementary Autonomous Surface Microfluidic Devices Based on Laser-Fabricated Wetting Gradient Microtextures that Drive Directional Water Flows[J]. Optics Express, 2021, 29(8): 12616.

[9] WU Hua-ping, ZHU Kai, CAO Bin-bin, et al. Smart Design of Wettability-Patterned Gradients on Substrate-Indepe-ndent Coated Surfaces to Control Unidirectional Sprea-ding of Droplets[J]. Soft Matter, 2017, 13(16): 2995- 3002.

[10] ZHU Su-wan, LI Jia-wen, CAI Sheng-wen, et al. Unidi-rectional Transport and Effective Collection of Underw-ater CO2Bubbles Utilizing Ultrafast-Laser-Ablated Janus Foam[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(15): 18110-18115.

[11] HUANG Shuai, LI Ming-hao, SHU Cheng-song, et al. Bamboo-Shaped Pumpless Platform for Long-Distance and Lossless Droplet Transport[J]. Applied Surface Science, 2023, 609: 155212.

[12] HOU Y P, FENG S L, DAI L M, et al. Droplet Mani-pulation on Wettable Gradient Surfaces with Micro-/Nano- Hierarchical Structure[J]. Chemistry of Materials, 2016, 28(11): 3625-3629.

[13] ZHANG Ming-fa, ZHAO X, ZHANG Guang-hua, et al. Electrospinning Design of Functional Nanostructures for Biosensor Applications[J]. Journal of Materials Chemistry B, 2017, 5(9): 1699-1711.

[14] HONG S K, BAE S, JEON H, et al. An Underwater Superoleophobic Nanofibrous Cellulosic Membrane for Oil/Water Separation with High Separation Flux and High Chemical Stability[J]. Nanoscale, 2018, 10(6): 3037-3045.

[15] BHATTACHARJEE N, URRIOS A, KANG S, et al. The Upcoming 3D-Printing Revolution in Microfluidics[J]. Lab on a Chip, 2016, 16(10): 1720-1742.

[16] FU Kun, YAO Yong-gang, DAI Jia-qi, et al. Progress in 3D Printing of Carbon Materials for Energy-Related Appl--ications[J]. Advanced Materials, 2017, 29(9): 1603486.

[17] 唐昆, 李典雨, 陳紫琳, 等. 3D打印制備各向異性超疏水功能表面的定向輸送性能[J]. 表面技術, 2020, 49(9): 157-166. TANG Kun, LI Dian-yu, CHEN Zi-lin, et al. Directional Transport Properties of Anisotropic Superhydrophobic Functional Surfaces Prepared by 3D Printing[J]. Surface Technology, 2020, 49(9): 157-166.

[18] PINTO V, SOUSA P, CARDOSO V, et al. Optimized SU-8 Processing for Low-Cost Microstructures Fabric-ation without Cleanroom Facilities[J]. Micromachines, 2014, 5(3): 738-755.

[19] ALNASER A S, KHAN S A, GANEEV R A, et al. Recent Advances in Femtosecond Laser-Induced Surface Struc-turing for Oil-Water Separation[J]. Applied Sciences, 2019, 9(8): 1554.

[20] LIU Wei-jian, PAN Rui, CAI Ming-yong, et al. Oil-Trig-gered Switchable Wettability on Patterned Alternating Air/Lubricant-Infused Superamphiphobic Surfaces[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8(14): 6647- 6660.

[21] ZHANG Ji-chao, CHEN Fa-ze, LU Yao, et al. Superhy-drophilic-Superhydrophobic Patterned Surfaces on Glass Substrate for Water Harvesting[J]. Journal of Materials Science, 2020, 55(2): 498-508.

[22] 楊建平, 陳學康, 吳敢, 等. 激光刻蝕技術及其在航天器天線制造中的應用[J]. 航天制造技術, 2011(3): 51-54. YANG Jian-ping, CHEN Xue-kang, WU Gan, et al. Laser Ablation and Its Application in Fabrication of Spacecraft Antennas[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011(3): 51-54.

[23] FENG Shi-le, WANG Qian-qian, XING Yan, et al. Continuous Directional Water Transport on Integrating Tapered Surfaces[J]. Advanced Materials Interfaces, 2020, 7(9): 2000081.

[24] GURERA D, BHUSHAN B. Multistep Wettability Gradient on Bioinspired Conical Surfaces for Water Colle--ction from Fog[J]. Langmuir, 2019, 35(51): 16944- 16947.

[25] LI Yi-liang, HUANG Jin-mei, CHENG Jiang, et al. Enha-nced Movement of Two-Component Droplets on a Wedge- Shaped Ag/Cu Surface by a Wettability Gradient[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(13): 15857- 15865.

[26] DENG Si-yan, SHANG Wei-feng, FENG Shi-le, et al. Controlled Droplet Transport to Target on a High Adhe-sion Surface with Multi-Gradients[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 45687.

[27] ROSSEGGER E, HENNEN D, GRIESSER T, et al. Directed Motion of Water Droplets on Multi-Gradient Photopolymer Surfaces[J]. Polymer Chemistry, 2019, 10(15): 1882-1893.

[28] LONG Jiang-you, ZHONG Min-lin, ZHANG Hong-jun, et al. Superhydrophilicity to Superhydrophobicity Trans-ition of Picosecond Laser Microstructured Aluminum in Ambient Air[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 441: 1-9.

[29] LONG Jiang-you, ZHONG Min-lin, FAN Pei-xun, et al. Wettability Conversion of Ultrafast Laser Structured Copper Surface[J]. Journal of Laser Applications, 2015, 27(S2): S29107.

[30] ?NER D, MCCARTHY T J. Ultrahydrophobic Surfaces. Effects of Topography Length Scales on Wettability[J]. Langmuir, 2000, 16(20): 7777-7782.

[31] SONG Jin-long, LIU Zi-ai, WANG Xu-yue, et al. High-Efficiency Bubble Transportation in an Aqueous Environment on a Serial Wedge-Shaped Wettability Pattern[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(22): 13567-13576.

[32] CHAUDHURY M K, WHITESIDES G M. How to Make Water Run Uphill[J]. Science, 1992, 256(5063): 1539- 1541.

Fabrication of Gradient Wetting Patterned Surface and Its Performance in Transportation

1,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,1*

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Department of Mechanical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

Spontaneous transportation of liquid on wetting pattern has promising applications in water-harvesting devices, heat transfer equipment, etc. However, the technology is limited due to the expensive and complex processing techniques, and weak transportation capacities. An arrow-shaped patterned surface based on a gradient hydrophobic substrate is proposed to address the problems of short transportation distance and slow speed, which can effectively improve liquid transportation performance.

Pre-treatment, laser processing substrate, low surface energy modification treatment, and laser processing wetting pattern were sequentially performed on the aluminum alloy surface to obtain a patterned surface with good transportation performance. Firstly, the pretreated aluminum alloy plate was placed on a processed platform, and the gradient hydrophilic substrate was formed by processing the substrate with a grid-like structure and applying laser directly on aluminum alloy surfaces at a gradient scanning speed. Then, the dried processed surface was soaked in fluorinated liquid (FAS-17) for one hour to get low surface energy surfaces. Finally, an arrow-shaped hydrophilic patterned surface was processed on the gradient hydrophobic substrate by laser at a uniform scanning speed for droplet transportation.The processing equipment used in the process was a nanosecond laser with a wavelength of 1 064 nm, a pulse width of 200 ns, a maximum power of 20 W and a frequency from 20 kHz to 100 kHz. The effects of laser scanning speed on the microstructures and wettability of the aluminum alloy surface were investigated. The wettability, microstructures, chemical compositions, and droplet transportation performance of patterned surfaces were tested and analyzed with the help of analytical and testing equipment such as a contact angle meter, scanning electron microscope, 3D optical profiler, and industrial camera.

With the increase of laser scanning speed, the surface microstructure gradually shifted from "micro- and nano-layered structure" to "sub-micron structure", and the roughness of aluminum alloy surfaces gradually became smaller, which led to the decrease of static contact angle from 150° to 107°, and the dynamic contact state of shifting from rolling state to pinned state. In addition, with the increase of scanning speed, the mass fraction of O of surfaces decreased from 11.2% to 7.7%, and the mass fraction of F of surfaces decreased from 17.6% to 10.6%, which indicated the gradual decrease of surface oxide, resulting in the weakening of the adsorption capacity of F-containing organics, and thus the decrease of the hydrophobicity of surfaces. Further, the transportation performance of droplets on gradient wetting arrow-shaped patterned surfaces with different average wetting gradients was investigated, and the result showed that the droplet transportation distance on the arrow-shaped patterned surface based on gradient hydrophobic substrates could reach 61 mm, which was 34% higher than that of the uniform hydrophobic substrate.

The gradient scanning speed and low surface energy modification treatment can be used to fabricate gradient hydrophobic substrates easily and quickly. Compared with the arrow-shaped patterned surface based on a uniform hydrophobic substrate, the droplet transportation performance of the arrow-shaped patterned surface based on a gradient hydrophobic substrate is significantly improved. The spontaneous and directional high-performance transportation of droplets has promising applications in water collection devices and heat transfer devices.

nanosecond laser; gradient hydrophobic substrate; arrow-shaped patterned surface; transportation distance;wettability; directional transportation

2022-10-23；

2022-12-27

TQ022.1

A

1001-3660(2023)10-0295-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.025

2022-10-23；

2022-12-27

江蘇省自然科學基金優(yōu)秀青年基金（BK20190066）；國家自然科學基金（51875285）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費（NE2020005）；霍英東教育基金會高校青年教師基金（20193218210002，171045）

The Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China (BK20190066); The National Natural Science Foundation of China (51875285); The Fundamental Research Funds for the Central Universities (NE2020005); College Young Teachers Fund of the Fok Ying Tung Education Foundation (20193218210002, 171045)

劉前凱, 張杰, 孫鵬程, 等.梯度潤濕性圖案化表面的制備及其輸運性能研究[J]. 表面技術, 2023, 52(10): 295-303.

LIU Qian-kai, ZHANG Jie, SUN Peng-cheng, et al. Fabrication of Gradient Wetting Patterned Surface and Its Performance in Transportation[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 295-303.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：彭颋