淺談表面功能微納結構及其加工方法
1.引言
一直以來，荷葉疏水現象、壁虎爬壁能力等動植物所表現出的特異性能得到人們的關注。隨著科技的發展和觀檢測技術的進步，研究人員發現動植物表面具有特異功能的原因在於其表面的各種特殊的微觀結構。受動植物表面微納結構功能的啟發，近30年來，對錶面功能微納結構的研究逐漸發展成為新興多學科交叉研究領域，已成為國內外研究熱點[1]。
通過在材料表面構造不同的微結構，可以使材料表面具備超疏水、耐磨減摩、陷光等特性。這在航空航天、微電子、生物材料、汽車、能源等技術領域具有巨大的應用前景和技術價值。
2.表面功能微納結構分類及其應用
表面微納結構一般具有紋理結構規則、具有一定的周期性等特點，通過不同的尺寸和排列組合，可使材料表面表現出不同的功能特性。根據不同的功能特性，表面微納結構的功能主要分為但不限與以下幾種類型。
2.1超疏水表面微結構
一般，超疏水的表面是指表面穩定接觸角θ要大於150°，滾動接觸角要小於10°，如圖1所示。Barthlott和Neinhuls[2]最早對荷葉「出淤泥而不染」的特性進行觀察研究，發現荷葉表面具有大量的微凸起結構，如圖1所示。這些微凸起的大小約10μm，凸起之間的間距約20μm，同時突起表面及凸起間覆蓋了一層納米棒，納米棒尺寸在幾百納米，研究表明正是這些突起的微納結構的存在，使荷葉具有超疏水的性能。
圖1接觸角θ定義和荷葉疏水結構
受荷葉微納結構的啟發，科學家採用不同手段在材料表面製備出相應的微納結構，製造出人造超疏水表面，連峰等[3]將SiO2納米粒子與含氟聚合物結合，製成具有低表面能的納米薄膜，通過將其覆蓋在表面微結構上形成了微納複合結構，該表面接觸角達到168.2°，表現出優良的超疏水性能。
由於超疏水表面對水的不親和性，這使其具有巨大的應用前景。
首先可以想到的是防霧防冰凍。如果表面是超疏水表面，那麼水滴無法在表面凝結，那麼在氣候寒冷的區域，可以在物體表面製造超疏水結構，防止物體表面結冰。通過在衛星天線上製造出超疏水表面，可以極大的降低雪的粘附，能夠有效提高衛星信號的接受效率。另外，將超疏水微納結構應用到飛機機翼表面則可以有效減少飛機機翼的結冰現象，可以有效提高飛機的安全性能。
超疏水表面具有自清潔功能。由於水滴在超疏水表面具有較高的接觸角和很小的滾動角，很容易滾落，在此過程中可以將表面的灰塵雜物帶走，可以實現表面的清潔效果。若將此昂技術應用於現代建築的玻璃幕牆，在玻璃上製造出超疏水表面，那麼可以使玻璃歷久彌新，極大地減少清潔成本。另外將這種超疏水表面應用於太陽能電池，同樣可以起到自清潔的功能，減少污物灰塵對太陽能電池板效率的影響。
超疏水表面還具有抗腐蝕性能。環境的濕度一般會影響金屬材料的的氧化腐蝕，通過在金屬表面構造相應的超疏水塗層，可以進一步提高金屬表面的抗腐蝕和抗氧化的性能，在一些不能使用油漆的場合可以發揮巨大作用。
2.2陷光結構表面及應用
陷光結構是指通過反射、折射、和散射作用，將入射光分散到各個角度，從而改變表面對光的吸收效率。研究表明，通過在材料表面構造相應的微納結構，可以改變材料表面對光的吸收率和反射率，進而改變物體表面的顏色。如圖2所示，自然界許多昆蟲表現出五顏六色的顏色，就是因為生物體表面有各種不同的微納結構。
圖2多種不同生物體表面及其表面微納米結構
因為陷光結構可以改變材料表面的對光波的吸收率和反射率，因此可以將這種結構應用到飛機蒙皮，通過在蒙皮上構造相應的陷光結構，可以改變飛機的對電磁波的吸收和反射率，提高飛機的隱身性能。另外清華大學的鐘敏霖教授團隊通過在金屬表面構造不同的微納結構，使金屬表面顯現出不同顏色。另外該團隊通過構造陷光結構，使Cu表面的反射率下降到8%左右。哈弗教授Mazur利用飛秒激光在單晶硅表面加工出一定的陷光結構，成功製備出反射率幾乎為的「黑硅」，這對於提高太陽能電池板對光的吸收率具有重要意義。
圖3通過構造微結構得到不同顏色Mo表面
2.3減阻減摩表面
鯊魚作為海洋的霸主，由於其體型龐大，按理說在水中會有很大的阻力，但是反常的是，鯊魚在水中的遊動速度非常快，這引起了科學家的關注。經過觀察研究表明，鯊魚皮表面是有許多溝槽狀的微結構組成，如圖4所示。鯊魚快速遊動的時候，這中微溝槽結構可以在皮膚附近形成微小漩渦，減小阻力。學者通過研究鯊魚皮的微結構，研製出具有減阻效果游泳衣。
圖4鯊魚不同部位盾鱗形態
大量的研究工作表明了溝槽面減阻的可靠性和應用性，國外的研究已進入工程實用階段，早期見諸報道的是20世紀80年代德國飛機製造商利用帶溝槽的飛機機身使飛機節省燃料8%。空中客車公司將A320試驗機表面積的70%貼上溝槽薄膜，達到了節油l%-2%的效果.NASA蘭利中心對Learjet型飛機的飛行試驗表明減阻6%的量級[6]。
微結構減阻方面，Hamilton等人[5]最早發現周期性的表面微結構具有減摩效果，對微結構的減摩理論進行了分析，指出表面微結構的減摩原理來自於微結構形成的液體動壓潤滑。自此開始，微結構在摩擦學領域的研究開始引起廣泛關注。如圖5所示，通過在表面構造相應的微凹坑或微溝槽，可以減小材料表面的摩擦力，同時提高材料表面的耐磨性能。
圖5減摩微結構表面
目前該研究成果已經應用在內燃機活塞鋼套筒，可以有效提高內燃機的效率，並且提高活塞套筒的使用壽命。另外在直推軸承表面加工出微溝槽或者微凹坑可以減小軸承的摩擦係數。
3.功能表面製備方法
隨著對錶面微納結構的研究，學者們對製造技術提出了更高的要求，同時，加工技術的進步也為表面微納結構的研究提供了相應的條件。目前可以實現表面微納結構的加工方法主要有以下幾種。
（1）光刻技術，利用電子束或激光光束可以得到加工尺寸在幾十納米的微納結構，該方法優勢在於精度高，得到的微納結構形狀可以得到很好的控制；
（2）飛秒激光加工技術，由於飛秒激光具有不受衍射極限限制的特點，可以加工出遠小於光斑直徑的尺寸，研究人員通過試驗發現，採用飛秒激光加工出10nm寬的納米線，在微納加工領域具有獨特優勢。另外飛秒激光雙分子聚合技術可以實現納米尺寸結構的加工；
（3）自組裝工藝，光刻與自組裝和刻蝕工藝結合，通過自組裝工藝，可以得到6nm左右的納米孔。
（4）等離子刻蝕技術，等離子刻蝕技術是應用最廣泛的微納米加工手段，加工精度高，是集成電路製造中最關鍵的工藝之一。
（5）沉積法，主要包括物理氣相沉積和化學氣相沉積，該方法主要是利用氣相發生的物理化學過程，在工件表面形成功能型或裝飾性的金屬，可以用來實現微納米結構塗層的製造。
（6）微納增材製造技術，微納增材製造技術主要指微納尺度電噴增材製造和微激光增材製造技術，由於微納增材技術可以不受形狀限制，可多材料協同製造，具有較大的發展前景。
除以上幾種加工技術外，還有靜電紡絲法、納米壓印、納米鑄造和傳統的金剛石切削、超精密微銑技術也可以實現表面微納結構的加工。
總結
不同的表面微納結構可以呈現出相應的功能，隨著科技的發展，不同功能的微納結構表面將會得到更多的應用。目前表面功能微納結構的發展仍受到加工技術的限制，因此，表面微納結構需要從微納結構的設計和製造技術兩個方面進行研究，研究並設計不同功能的微納結構，提高微納加工的技術是表面微納結構研究的重點方向。
參考文獻
[1]姜濤，楊宏青.超短脈衝激光加工超疏水功能性微結構表面[J],工具技術
[2] Barthlott W,Neinhuis C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination inbiological surfaces[J].Planta 1997;202:1-8.
[3]楊周.仿生超疏水功能表面的製備及其性能研究[D].北京:中國科學技術大學, 2012.
[4]龍江游,吳穎超,龔鼎為,等.飛秒激光製備超疏水銅表面及其抗結冰性能[J].中國激光,2015(7): 156—163.
[5] Hamilton D B, Walowit J A, Allen C M. ATheory of Lubrication by Microirregularities[J]. Journal of Basic Engineering,1966, 88(1):177.
[6]周正陽,表面微結構減阻的機理研究與優化設計[D],上海：上海交通大學，2013.
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