自然界中植物的鬼斧神工总是令人惊叹不已,它们可以通过微纳米结构的重构或释放蜡状的物质来实现超疏水性,这种所谓荷花效应引起了工程师的广泛兴趣,探索研究后人为制造了大量具有超疏水性的产品广泛用于实际生活中。而在一些应用领域,更是通过激光加工技术在氧化锆陶瓷表面制造超疏水表面,用在牙科临床应用,造福于民。
氧化锆(即二氧化锆)全瓷牙是全瓷烤瓷牙的一种,因其内部结构材料为氧化锆陶瓷而得名,不仅有着与真牙相匹配的透光性,其色泽自然,修复体同健康牙齿浑然一体,很难区分,而且抗压强度高,生物相容性好。由于口腔内的环境潮湿复杂,如果在氧化锆陶瓷面上赋予疏水特性,有利于排斥体液和污渍的黏附。
以往,工程师们主要通过喷砂、酸蚀等方法改变材料表面微观形貌,又或是附以一层涂层以达到超疏水性同类效果,颇为耗时又耗材,且很难具有植物与生俱来的性质。显而易见的是,这些方式在氧化锆陶瓷上并不适用。
激光加工是一种利用高能量密度光束进行材料去除的工艺,为非接触性加工,除了可进行激光切割、打孔、刻蚀、划线等应用,还可以用于材料表面改性,尤其是随着皮秒、飞秒等超短脉冲激光器的成熟,通过设定输出功率、扫描速度、扫描次数等参数,用超短脉冲激光在材料表面创造亚微米结构,使之改变表面的物理特性,荷花效应。
纳飞光电研发设计的nm皮秒激光器具有高脉冲能量,超过uj,峰值功率高,脉宽窄,仅为10ps左右,这样的脉冲激光束作用在氧化锆陶瓷时可以快速实现材料达到等离子态,整个过程不经过热作用阶段直接蒸发去除,是精细冷加工的表现。
随着时间的推移,超窄脉宽的皮秒光束按照设定路径在氧化锆陶瓷移动,形成了具有周期性的微沟槽阵列,借助显微镜可见在微沟槽的内壁和底部有许多纳米凸起,这些沟槽和纳米凸起有利于增加陶瓷表面的疏水性,并且能有效限制体液在陶瓷表面由Cassie状态过渡到Wenzel状态。
激光器的高度稳定性对于制备超疏水陶瓷表面起到了至关重要的作用,纳飞光电皮秒激光器的功率稳定性和脉冲稳定性均小于1%RMS,这样的高度稳定性可以对所要创造的结构进行精确控制。
加点料:
超疏水是指水滴的接触角大于°,滚动角小于10°的固体表面特性,类似于荷叶的自清洁性能。由于超疏水特性在自清洁、织物布料、节能减阻、生物医学、管道防腐、仿生材料等许多方面都有非常广阔的应用前景,因此固体表面的超疏水改性已成为目前的研究热点之一。