表面织构激光加工技术用于防污表面的研究进展综述(二)
激光的波长对各种材料的吸收率有很大影响。此外，它还对切削深度、加工能力和表面特征的质量有影响。图显示了波长对铝、金、银、铜、钼、铁和钢等不同材料吸收率的影响。由此可见，激光与物质的相互作用取决于波长和脉冲持续时间。
图.金属的吸收率与波长的关系。
3.2.超快激光织构加工的关键工艺参数
超快激光织构的关键工艺参数包括激光脉冲持续时间、激光通量、重复频率和扫描速度。飞秒激光织构加工被视为冷加工，因为飞秒脉冲作用时间非常短,短于电子与晶格的温度耦合时间，在电子将能量传递到晶格之前，飞秒脉冲就已经结束了。热影响区的尺寸会因材料和加工参数的不同而有很大的差异，在某些情况下，它的尺寸会远远超过10纳米。图显示了微秒或纳秒宽长脉冲激光与飞秒激光等超短脉宽激光的烧蚀对比。
图.(a)长脉冲和(b)短脉冲激光烧蚀。
其他激光工艺参数，如偏振、光束轮廓和聚焦深度，对所产生织构的质量和特性、尺寸精度以及拓扑结构的整体质量都有相当大的影响。
3.3.使用超快激光加工材料
在对金属、聚合物、陶瓷和半导体材料等各种材料进行激光织构加工方面，已经开展了大量研究。对加工出的织构和特征以及表面防污能力进行了深入分析。激光类型和特定织构材料的选择在决定所产生的表面特征方面起着至关重要的作用。这些研究结果有助于将激光织构作为一种可行的技术来提高各种材料的性能。
3.4.基于激光的纳米和微米尺度表面改性技术现状
文献中出现了三种重要的基于超快激光的材料加工技术，可用于制造防污表面：直接激光写入(DLW)、使用显微物镜或振镜的直接激光干涉图案化(DLIP)和光学波前整形(OWS)。它们之间的主要区别在于工作原理、精度、可扩展性和具体应用。
3.4.1.直接激光写入
直接激光写入(DLW)是最常见的激光织构技术加工之一，已被证明能有效地在表面上产生防污特性。图11显示了DLW设置的一个示例。与其他技术相比，DLW 加工相对容易，设备也更简单。DLW已被用于在各种材料上制造大量不同的3D微观结构。尽管DLW具有出色的织构加工能力，但由于其加工吞吐量低，因此在大规模加工中效率极低。为了解决这个问题，最近有研究将DLW与其他激光织构加工方法(如 LIPSS 或 DLIP)相结合。
图.(a) 直接激光写入过程;(b) 显示形貌影响的SEM图像;(c)显示3D形貌的玻璃盖玻片SEM图像和AFM表征。
3.4.2.直接激光干涉图案化
直接激光干涉图案化(DLIP)采用多束激光重叠产生干涉图案。脉冲与脉冲之间的重叠度越高，织构的均匀性也越高，重叠度对线型的结构深度有很大影响。均匀度的提高可增加水接触角和防污性能。图显示了DLIP工艺的工作原理。
图.A.直接激光干涉图案化(DLIP)模型;B.使用DLIP制作的聚酰亚胺薄膜结构的SEM显微图(左)和共聚焦形貌图(右)。
3.4.3.光学波前整形
光学波前整形技术已经发展到制作复杂的织构。这些技术涉及操纵光波的振幅和相位，以获得所需的波前。实现波前整形的方法有多种，静态技术如空间光调制器(SLM)(见图)和等离子间隙波导。数字微镜器件(DMD)等动态技术也被用于波前整形，其刷新率比SLM更快。
图.使用空间光调制器进行光学波前整形的激光加工设置。
这种整形方法可用于激光加工薄箔材料，并能制造出高纵横比的表面结构。光学波前整形技术涉及对光波空间轮廓(包括振幅和相位)的精确控制，以在被加工表面上实现所需的效果。这种技术可用于生成一系列具有不同防污特性的表面图案和结构。
4.防污表面
各种微纳米形貌结构可以提高防污性能，减少污垢的积累。这些形貌结构可通过飞秒微纳米加工或构造复制到另一种材料上。这是一种无毒、环保的表面防污策略。
4.1.仿生表面
有许多受自然启发，通过复制某些生物有机体的表面拓扑结构来设计表面，这些表面被称为仿生表面，见图14。其他策略包括可控周期结构，即使用激光辐照、激光诱导石墨烯涂层形成和泡沫纳米结构制造的重复结构。
图.不同生物的仿生防污表面示例，如(a)荷叶(b)鲨鱼皮(c)蝴蝶翅膀(d)水稻叶，(e- h)上述示例的相应 SEM 图像，(i)壁虎;(j)蜻蜓;(k)蝉;(l)蟹;(m-q)分别为 i、j、k 和l的高倍放大图像。
4.2.分层微周期结构
如图所示，可以在固体材料表面设计以微米级图案为特征的分层织构，以增强其疏水性。这些织构还具有亚微米级的特征，有助于提高其防污力。各种人工分层织构具有周期性特征，能够阻止颗粒的粘附和聚集。这种织构可以很容易地在各种材料表面上制造。
图.使用飞秒激光对可控周期结构形成的微凹槽和微坑图案进行比较(a)具有微凹槽图案的SHS和(b)具有微坑图案的 SHS。
4.3.纳米级激光诱导周期性表面结构
激光诱导周期性表面结构LIPSS，LIPSS在材料表面产生具有空间周期(Λ)的周期性波纹织构。LIPSS 的形成机制仍在研究中，但最广为接受的是Sipes理论，该理论基于入射激光辐射与表面粗糙度散射产生的表面电磁波的干涉。LIPSS织构的波长尺度使其成为创建有序微纳结构的理想选择，从而增强了防污和疏水性能。
激光蚀刻表面产生的表面特性可减少细菌的粘附和滞留，见图。预计这种方法将被证明是在生物污染问题严重的医疗和工业环境中开发抗粘附表面的重要策略。
图.(a) 激光诱导的周期性表面结构的SEM图像，以增强防污性能;(b) 附着(SWW)、粘附(Spray)和滞留(Ret)检测后表面滞留的细菌数量。
4.4.激光诱导石墨烯
石墨烯和氧化石墨烯是碳基纳米材料，具有独特的物理和电子特性，如抗菌、超疏水、导电等。激光诱导石墨烯(LIG)已被证明具有防污特性。
此外，根据最新研究，石墨烯还可用于生产具有导电性和防污特性的超滤膜。结果表明，由于增加了激光诱导石墨烯(LIG)表面交联氧化石墨烯的数量，牛血清白蛋白(BSA)的去除率提高了69%，细菌抑制率从 20% 提高到99.9%。因此，与典型的聚合物超滤膜相比，复合膜明显减少了生物膜的生长。这些石墨烯氧化物可用于水过滤和海水淡化。石墨烯氧化物还具有优异的机械性能和化学稳定性，使其成为一种很有前景的膜应用材料。然而，要充分挖掘LIG作为膜应用防污材料的潜力，并优化基于LIG 的膜的制造和性能，还需要进一步的研究。
5.结论和未来展望
随着对可持续和高效防污表面的需求不断增长，激光织构加工有望在开发新的创新解决方案方面发挥关键作用。随着人们对这一领域的兴趣与日俱增，有效而持久的防污表面制造可带来显著的技术优势和经济效益。本综述论文全面概述了防污表面科学与工程的最新发展。论文涵盖了一系列表面防污方法、物理表面纳米和微尺度织构制作方法以及仿生物防污表面。然而，即使开发了如此多的物理、化学和组合技术，要制造出有效的防污表面仍面临许多挑战。超快激光表面织构制造技术能够准确、精确和重复地改变表面的物理和化学特性，因此已成为一种很有前途的防污表面制造技术。然而，该技术仍面临一些挑战。
一个主要的挑战是防污表面必须经久耐用。许多防污织构和材料会随着时间的推移而退化，从而降低其防污效果。许多防污表面的使用环境恶劣，如暴露在海水或刺激性化学品中，会导致织构退化，从而降低防污效果。开发能够承受这些恶劣条件并保持防污特性的材料是一项重大挑战。
另一个挑战是防污表面必须无毒、环保。许多传统的防污涂层都含有有毒化学物质，如铜和三丁基锡，会对海洋生物和环境造成有害影响。开发既能有效防污又不含有害化学物质的织构策略和材料是一项重大挑战。
同时，人们对激光诱导织构本身防污的机制缺乏了解。众所周知，激光处理可改变粗糙度、疏水性和表面能等表面特性，但这些改变防止污垢生物附着在表面上的具体机制尚不完全清楚。这使得优化激光参数以产生所需的防污性能变得困难。
此外，使用激光制作防污表面的成本可能很高。激光设备和维护费用可能很高，而且对于非常大的表面来说，处理过程可能很耗时。不过，采用最新的高速光学技术后，大面积表面的加工速率有所提高。
最后，还需要标准化的测试方法来评估激光处理过的防污表面的效果。很难比较不同研究的结果，也很难评估不同激光防污处理的效果。虽然存在生物膜检测法和微生物附着检测法等各种技术，但仍需更多地使用标准来系统地量化。
为了填补这些知识和实施方面的空白，需要进一步研究激光工艺参数对表面形貌和表面污垢的影响，开发用于防污表面表征的标准化测试方法，以及开发具有成本效益的超短激光装置。
