Structure-Dependent Anisotropic Droplet Retention on PDMS-Modified, Laser-Structured Titanium Surfaces
本研究表明，通过将纳米级孔隙率与PDMS改性的激光结构化钛表面的定向微米级形貌相结合，能够实现对强液滴滞留和各向异性润湿行为的精确控制，其中纳米级特征决定了整体粘附力，而微米级取向则支配了定向钉扎效应。
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水在接触不同表面时表现出不同的行为。在光滑洁净的玻璃片上，一滴水会铺展开来，渴望与表面接触。而在涂有蜡的车盖上，同样的一滴水会聚集成完美的球形，并在轻微倾斜时滚落。这种被称为“润湿”的行为是由两个主要因素决定的：表面的化学性质和其物理形状。如果一个表面在化学设计上具有疏水性，它就会变成疏水的。如果表面是粗糙的，这种粗糙度可以放大这种效应，使水排斥得更强烈，或者相反，将水困在微小的谷底中使其紧紧粘附。科学家们早已知道这些微小凸起和孔洞的大小及排列方式至关重要，但一项新研究显示，这些凸起排列的方向改变了水滴在金属表面移动或无法移动的方式。
德国卡塞尔大学和弗劳恩霍夫研究所的研究人员致力于理解这种在钛金属上的定向行为，钛是一种因其强度和抗腐蚀性而备受青睐的金属。他们使用高功率激光在金属表面刻蚀出复杂的图案，创造出同时存在于两个不同尺度上的纹理。在大尺度上，激光留下了仅在显微镜下可见的脊和谷。在更小的尺度上，激光的高温导致微小的氧化钛颗粒重新沉积，形成了一层多孔、海绵状的纳米颗粒层。为了确保金属本身不会干扰实验结果，团队在每个样品上都涂了一层天然疏水的硅胶类材料。这使得他们能够将物理形状的效果从金属的化学特性中分离出来。
团队创建了两种截然不同的表面进行对比。第一种类型具有由激光创造的大尺度、定向的脊和谷，并位于精细的纳米多孔层之上。第二种类型具有相同的纳米多孔层，但缺乏大尺度的脊，从而形成了一个在显微镜下看起来平滑的表面。当他们将水滴放置在这些表面上时，结果令人震惊。在光滑的纳米多孔表面上，水滴紧紧粘附在金属上，即使将表面倾斜到垂直位置，水滴也拒绝滚落。这表明，微小的纳米孔本身就足以产生强大的粘附力。然而，带有大尺度定向脊的表面表现得则不同。
当研究人员倾斜带有大脊的表面时，如果水滴平行于或垂直于激光线移动，它都能轻易滚落。但当水滴试图以45度角斜向跨越这些线条移动时，它却纹丝不动。即使将表面完全倒置，水滴仍被钉在原地。这种现象的发生是因为，对角线路径迫使水滴的边缘以一种持续且困难的方式跨越脊部，而沿着或横穿脊部移动则允许水滴更容易地滑过障碍物。研究发现，大尺度的纹理方向是这种定向粘附的主要驱动力，而微小的纳米孔则是导致水滴不易轻易滑落的整体粘性的原因。
为了理解为什么会发生这种情况，研究人员在强力显微镜下观察了表面，并分析了化学成分以确认硅胶涂层已渗透进微小的孔隙。他们发现，水滴并非仅仅坐落在峰顶上，而是部分沉入了纳米多孔层中，在液体与固体之间产生了复杂的相互作用。团队提出，大尺度脊的方向改变了水脱离表面的路径。对角线移动创造了一个更平滑、更连续的屏障，水无法轻易克服，从而有效地将水滴锁定在原地。这一发现表明，通过精心设计表面纹理的方向，工程师可以控制液体的移动、粘附或滑动方式，这对于从自清洁表面到对流体控制要求极高的医疗器械等各个领域都具有重要意义。
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