飞秒激光消融引起的各向异性润湿性

利用激光消融技术在当地和选择性地改变材料的表面润湿性,并根据需要进行微加工。在化学和(或)地形图上观察到了各向异性润湿性,例如在制造过程中在表面上形成了一系列带有间隔的激光刻印条。本文评价了飞秒激光消融在选择性修改表面润湿性方面的有效性。激光消融处理的区域具有各向异性润湿行为,即使在激光带重叠之后也是如此。激光诱导的各向异性表面润湿性存在于空间中,受激光扫描速度、扫描/带重叠、激光流动性、扫描重复和双向扫描角的制约。此外,通过优化飞秒激光消融工艺,提高了传统激光铭文的性能,从而改进了一致的方法,实现成本效益高的制造。

1.导言
聚合物由于成本低、操作方便、能被修饰以显示理想的物理、化学和光学特性,被广泛用于微流体器件的制造。聚合物的表面特性在微流体中很重要,在微流体中,精确处理生化试剂至关重要。表面润湿性是液体与固体表面相互作用所决定的关键表面特性。表面润湿性的改变和/或修改可以通过改变表面化学和/或地形来实现。表面的润湿特性在自然环境和工业环境中都起着至关重要的作用。例如,一些动植物表现出良好的润湿行为,使它们能够适应环境并发挥其生物功能(例如:,各向异性润湿性)。 [ 1 ] 与测量方向无关的润湿性称为各向同性润湿性。反过来,润湿性的依赖性被确定为各向异性润湿性,液体非均匀地分布在表面上。各向异性润湿性有可能在纳米和微流体、生物医学/生物激励设备和自清洁产品中得到应用。 [ 2 ]

在化学或结构(地形)表面成分中,有一个共同的不连续性特征,通过形成图案可以合成各向异性表面。还探讨了产生表面梯度的化学或物理机制。化学图案化策略,光刻术, [ 3 , 4 ] 喷墨印刷, [ 5 ] 以及选择性沉积 [ 6 ] 采用了各种方法。相应的表面装饰有补丁和/或图案,具有不同的化学特性(例如:,疏水性,亲水性,实现固体表面的化学异质性。表面化学分解和图案的几何形状是主要参数。表面异质性的存在,即。,图案特征,在创造各向异性润湿特性中起着重要作用。尽管如此,一些化学表面改变可能会引起轻微地形改变,例如氧等离子体处理导致表面粗糙度增加, [ 7 , 8 ] 可能影响表面润湿性的修饰。相比之下,对于结构图案,表面是通过制造纳米和微米的特征(例如:,槽,条,柱)。成型和压花, [ 9 ] 印迹, [ 10 ] 激光微加工, [ 11 , 12 ] 以及金属沉积 [ 13 ] 可用于制造结构图案。定向模式的产生是产生各向异性润湿面的常用方法。尽管这两种图案在 X -及 y -地球表面结构的方向、不对称 z -方向或多方向可导致明显的各向异性润湿模式,其特点是单向润湿。例如,这种结构包括弯曲的纳米柱 [ 13 ] 倾斜的纳米棒 [ 14 ] 在表面。表面各向异性特征的形成是实现表面润湿性的一个重要方面。虽然所需的地形图通常是有意产生的,但各向异性表面也可能是制造过程的意外结果。在涉及处理表面地形的制造过程中,表面化学的改变可能不是一个主要问题。因此,表面化学可能受或不受结构表面图案的影响。 [ 15 - 17 ]

材料润湿性特性的研究已成为越来越重要的研究领域,因为制造方法的发展扩大了聚合材料的范围。在这方面,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)已成为一种流行的材料,在工业和研究应用,特别是在制造微流体器件。这可以归因于它的优越性,包括1)可适应注塑和图案,2)有利的光学性能。可通过注塑成型和热压花制造出激光芯片PMMA器件。虽然这些技术是为大规模生产而设计的,但它们在快速原型方面的应用并不实际。此外,制造方法本身也可能改变表面的润湿行为。一种用于制造微结构的潜在制造方法(例如:,微通道)是在各种基板上利用激光直接书写。 [ 18 , 19 ] 为此目的, 2 准分子和飞秒激光消融除了能促进微流体器件的快速成型外,还能改变衬底的表面润湿性。在聚合物中吸收激光辐射,可使材料以足够大的激光能量从嵌入区中去除,从而能够在大量材料上和/或内部进行微加工。 [ 20 ]FS(或皮秒)激光可以在基板上应用超短激光脉冲,从而最大限度地减少在刻蚀区的有效热生成。这种能力提出了精确的微加工方法,引入了高局部能量,产生快速的烧蚀材料。在激光消融过程中,聚合物基材地形表面粗糙度的变化会引起表面润湿性的变化,这取决于文泽尔或卡西-巴克斯特模型。暴露的表面可能从疏水性过渡到亲水性,反之亦然,也可能根据消融区的物理和/或化学改变程度控制其润湿性。虽然激光消融可显著影响表面地形,但消融表面的化学成分也可改变 [ 21 ] 或者不受影响。 [ 15 ]尽管具有低吞吐量的操作,激光消融有可能选择性地和自适应地调整微通道的表面润湿性。其他的研究已经报道了FS激光消融的能力,改变了PMMA衬底的表面润湿性,一些不一致的地方存在传统技术的有效性和准确性。此外,还可以对由FS激光消融引起的PMMA表面润湿性进行表征,特别是关键参数的影响。本研究旨在研究光纤激光嵌入PMMA表面的润湿性和地形。它还识别了激光带重叠后与表面润湿性相关的各向异性行为,并提出了一种优化的成本效益高的制造方案。

2结果和讨论
图形 1a,b 显示了实验和原理设置,用于外勤事务部激光微加工烧蚀条/微通道。为了进行润湿性分析,通过重叠内切线进行了一次大的消融。光纤激光器最初用于制造小通道和特征(例如:,表面上的条条。 [ 22 , 23 ] 当在各种光中进行单束扫描时,FS激光器有效地嵌入表面,从而产生不同深度和宽度的条带/微通道。图形 1c 表明消融深度随激光流量的增加而增加。光带宽度也受激光流量的影响,但比光带深度小(图) 1d )。因此,应用平行重叠激光扫描可以产生更宽的微通道/条带。通过改变单个光束扫描模式下的激光流量来获得所需的条带深度是有限的,而更大的深度可能需要多次扫描。此外,要通过消融去除表面的物质,激光流量必须超过一定的阈值。用于粗略估计激光流量阈值,拟合曲线与 X -得到条带深度与激光流量图中的轴(图1) 1e ). [ 15 ] 这个 X -截取值可预测阈值的波动性,这一变化性被发现为9.3千厘米 −2 .阈值激光流量必须在8.2焦距之间 −2 (消融)和13千厘米 −2 (不消融),这与预测的阈值流量一致。无论表面化学是否改变,FS激光消融都会引起地形和形态的改变(例如。,粗糙度),可能影响表面润湿性和改变接触角测量。因此,为了评估由FS激光微加工产生的烧蚀微通道/条的表面润湿性,可以扩大烧蚀面积,以容纳液滴进行测量。在这项研究中,基板是沿着 y -激光束特定调谐移距的轴,导致顺序微通道/条带有各种重叠(图) 1f )。这样就可以产生足够的4×4毫米的消融区 2 用于测量(图) 1g )。假设在空间双向模式下的激光扫描有可能影响激光定位区域的润湿行为。在这方面,随后的第二次光栅扫描是在横向方向进行的,其角度与最初的垂直扫描相比为0、30、45、60和90。这些角度被称为"双向扫描角度", θ 英国广播公司 ,以及相应的"双向扫描模式"过程,需要进行两级扫描操作(图 1h )。例如,90°的双向扫描对应于沿 y -轴,随后在90度角上进行下一次扫描。 X -axis.

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图1
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光纤激光消融系统制造微流体通道。(a)FS激光消融PMMA衬底的系统。(b)示意图,所示为能够在PMMA衬底上形成一个典型的扩大的光圈区的FS激光微细加工条/通道。(c)扩大的激光产生区的消融深度(4x4m) 2 )相对于激光。(d)激光生成条/通道的消融宽度相对于激光流。(e)带/通道深度相对于激光流量。实验数据点配有对数线 X -启动意味着阈值激光流利度为9.3j厘米 −2 .(f)光学图像显示50j厘米激光流动时不同扫描/条重叠 −2.扫描重叠的示意图说明和CA测量的方向。h)双向扫描模式示意图。
2.1表面图案和粗糙度
当衬底表面受到激光消融时,它经历了地形和/或形态的变化,其形式是表面粗糙度和图案。激光刻字过程中产生的表面图案显示出对扫描方向的定向依赖(例如:定向和双向扫描模式)。所涉及的参数是激光流量、扫描速度、扫描次数,特别是扫描重叠。在定向模式下,典型的定向扫描只应用于特定的方向。在激光消融过程中利用垂直平行扫描可以产生各种类似地形特征的表面图案,如平行的V形槽,如在低重叠时观察到的。值得注意的是,研究了双向模式扫描的应用,可通过双向扫描实现。 图形 2a 说明光学显微镜和原子力显微镜(AFM)地图,描绘在不同的双向扫描角度上刻划的表面, θ 英国广播公司 ,激光流量为50焦距 −2 扫描重叠了70%。双向扫描模式制造过程的角度小于90度能够生成方向模式。然而,在双向扫描模式下,在90度的区域内刻划可抑制定向模式,并通过增强随机粗糙度元素产生更各向同性的表面。这也导致了各向同性润湿性,导致液滴坐在激光刻划区域形成更对称的形状。扫描重叠的数量可以极大地干扰结果的模式。在中度扫描重叠时,例如。,30%重叠,相应的光学显微镜和AFM图像用于50焦距的激光流量 −2 说明: θ 英国广播公司 产生新的模式(图) 2b )。因此,增加 θ 英国广播公司 从0°到90°可导致从V型槽型转变到 θ 英国广播公司 =0到一个倾斜的V型凹槽与较高处的织造拉坦状图案重叠 θ 英国广播公司 .不同于在异质激光消融情况下观察到的V型槽结构(即。,图中无重叠扫描 1f ),在不同地方新出现的V形槽结构 θ 英国广播公司 数值包含在烧蚀的表面上。

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图2
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光纤激光光刻表面的特性。(a)在50千厘米激光流量下产生的外勤服务激光处理区的光学图像和AFM地图 −2 并在不同的双向扫描角上扫描70%的重叠。(b)光学图像和AFM图像条件相同,但扫描重叠率为30%。标尺条:20米的影碟。
为了证明双向扫描角度对液滴行为的影响, 图形 3a 描述放置在50j厘米激光流量的消融区的液滴的物理形状 −2 扫描重叠率为30% θ 英国广播公司 .从照片上可以看出 θ 英国广播公司 =0沿着 y -轴(即,与扫描方向平行)。何时 θ 英国广播公司 延长后的液滴随最后一次扫描的方向增加,这与双向角相对应。增加后 θ 英国广播公司 中间值,0 < θ 英国广播公司 90度时,液滴延伸度减小,然后再增加。 θ 英国广播公司 =90°,液滴沿着 X -轴。这种行为与其他研究不同, [ 15 ] 在没有观测任何各向异性润湿行为的情况下,它集中于广泛的激光荧光。值得注意的是,在含有扫描重叠的激光加工表面的文献中,没有报告观测到的各向异性润湿性,无论是在定向还是双向模式下进行的。当激光刻印表面出现不连续时,即:,无重叠案件(图 1f ),预计会有各向异性润湿行为。 [ 24 ] 因此,放置在这样一个表面上的任何液滴都会被延长并延伸到有方向图案的表面上。尽管如此,这种行为不仅限于不重叠的图案;还观察到明显的细长液滴的零和小扫描重叠,例如25jcm激光流动的定向扫描模式 −2 (图 3b )。整体而言,双向题词方式的扫描重叠对地形图的影响是显著的。

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图3
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润湿性和化学文摘社的特性。(a)50焦距激光消融的PMMA表面上滴滴形状的照片 −2 在不同的双向扫描角度下,双向扫描模式的重叠率为30%) θ 航空公司 = 0°, ii) θ 航空公司 = 30°, iii) θ 航空公司 = 45°, iv) θ 航空公司 = 60°, and v) θ 航空公司 =90°。(b)25千厘米激光流量时液滴形状的照片 −2 for directional mode applied on ablated PMMA surfaces with scan overlaps of i) no-overlap (−100%), ii) zero-overlap (0%), iii) 13%, iv) 30%, v) 50%, and vi) 70%. c–g) AFM maps of untreated PMMA and fs laser-processed PMMA surfaces; c) untreated PMMA (i.e., 0 J cm −2 (d)13,(e)25,(f)50,(g)191焦耳厘米的不同激光荧光 −2 扫描重叠70%。(h)在未处理的PMMA表面(顶部)和在激光流动量为25焦耳的被消融的PMMA表面(底部)上的水钙照片 −2 .
图形 3c–g 在不同的激光荧光中,表示未经处理的PMMA和FS激光嵌入PMMA表面的AFM图,扫描重叠率为70%。经过消融的PMMA表面与未经处理的表面相比,经历了显著的地形变化。激光对消融区的深度有显著影响(图) 1c ),增加流动性不会导致粗糙度的显著变化。这表明激光消融对表面润湿性的影响主要是表面质地和图案,而不是地形粗糙度。此外,最大粗糙度值与双向扫描模式制造的表面有关,扫描重叠率为30%,激光流量为50焦距 −2.

2.2表面化学
表面化学是改变表面润湿性的一个关键驱动因素,这在氧等离子体处理的表面可见一斑。 [ 25 ] 在带有激光消融的表面上,目前还不清楚PMMA表面的化学物质在消融后是否改变。 [ 15 , 16 ] 因此,本文利用污染变换红外光谱技术,通过对碳基指数的评价,研究了氧化降解的迹象。衰减全反射(ATR)模式下的红外光谱通过穿透被测表面下1-2M的采样深度,来描述烧蚀面附近材料的特征。碳基指数由C-O的吸收强度比(1700-1800cm)决定。 −1 )及C  H (2800–2900 cm −1 )伸展区域。选择这些波段的理由是,聚合物的氧化降解需要降低C的含量。  在C带中的H强度和相应的增加. [ 17 ] 图形 4a,b 演示了PMMA激光消融前后的ATR红外光谱图,其中的峰在C和C处  h可以得到拉伸区域来计算碳酸指数。

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图4
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与吸收(a)c)和(b)有关的详情  H对未经处理的和由FS激光处理的PMMA表面的红外光谱的拉伸。(c)未经处理的静态水钙和表面粗糙度(0j厘米) −2 )及光纤激光光化PMMA表面相对于2米S扫描速度的激光流量 −1 .(d)在25j厘米激光流动时,扫描重叠70%的PMMA表面被消融,静态水CA相对于激光扫描速度 −2 .(e)25千厘米激光荧光束扫描重叠与扫描重叠 −2 50千厘米 −2 扫描速度为2毫米S −1 .
与未经处理的PMMA和不同激光荧光下消融的PMMA表面相对应的碳基指数表明,几乎没有证据表明在消融后表面上存在激光诱导的化学变化。随着激光流动性的增加,碳基指数大致保持不变。 −2 )不同流量值(0-191j厘米 −2 )。与其他研究结果一致, [ 15 ] 结果表明,激光消融过程中表面化学成分无明显变化。此外,润湿性可归因于表面存在-OH基团,这是水吸附的促进因素。 [ 26 ] 图形 4b 向我们证明  H组在相应的伸展区域(3400-4600cm) −1 没有显示任何宽吸收峰/频带(每个激光流)归因于-哦拉伸振动。由于在本研究中,表面化学不影响润湿性的变化,地形表面结构的变化控制着表面润湿行为背后的物理学。

2.3表面润湿性
由于固体表面存在异质性,可以产生各向异性润湿行为。在测量过程中,这可能会导致CA出现不同的变化。 y -轴(指 θ ‖ ),平行于最初的垂直扫描,相对于沿 X -轴(指 θ ⊥ ) (Figure 1g )。对于用FS激光消融的表面,各向异性润湿行为非常普遍。几个关键参数可以影响表面润湿性,表现出异常各向异性润湿行为的连续消融区。

2.3.1激光流量效应
光纤激光照射的PMMA表面的润湿性受到激光流动性的影响。在未经处理的PMMA上测量的静态钙为76度(图 3h )。然而,在FS激光照射后,在工作表面沉积了一些烧蚀/残余材料碎片,这可能导致化学文摘社的减少,并表明人为亲水。 [ 15 ] 由于烧蚀区(53度处)存在材料碎片,而同一情况下的实际值(105度处)与25焦距激光流量对应后的实际值(105度处)相比,减少了CA。 −2 以及70%的扫描重叠(图 3h)。这表明,PMMA碎片的存在掩盖了激光分解地区的真实润湿性特征。

在先前报告的研究中, [ 15 , 16 , 27 ] 移动音调(即在研究不同激光荧光对表面润湿性的影响的同时,还确定了在制造过程中的两个后续扫描之间的距离和平行扫描的数量。这种传统方法的主要缺点是,当考虑到消融条的宽度依赖于激光的流动时,扫描/扫描条会重叠(如图所示)。 1d )。在本研究中,通过使固定扫描的约束重叠而不是假设固定移动的音调和平行扫描的数目,表面被消融。因此,相关的扫描参数(即:,移动的音调和平行扫描的数量被调整以满足相同的扫描重叠的每一个激光流程。这一方法的主要优点之一是,与降低制造成本的传统方法相比,对同一区域进行消融所需的并行扫描可减少一个数量级。图中显示了激光流量对润湿特性的影响。 4c ,其中静态CA显示为激光流量的函数,扫描重叠率为70%,扫描速度为2mm −1.

在8焦距的激光中 −2 ,表面没有烧蚀(如影像所证实),但相应的激光辐射表面在光线照射下的角度反复交替时显示出彩虹色。光纤激光可以在基材表面产生激光诱导的周期性表面结构。 [ 28 ] 因此,这些纳米尺度的表面结构可以作为产生彩虹色的衍射光栅。 [ 29 , 30 ] 图S1,辅助信息,显示在PMMA表面观察到的虹彩现象,该表面在8j厘米的激光流动中刻划 −2 .图S1中的I-II面板(支持信息)显示了不同的时刻,同时略微改变了角度。虽然表面没有烧蚀,但相应的钙与未处理的PMMA表面不同,表明在没有烧蚀的情况下激光照射引起的润湿性变化,其他地方也有报道。 [ 31 ] 与文献中所报道的结果相反,在这种情况下,润湿性表现出一种各向异性行为,这是由于存在纳米结构的波纹模式,这是一个普遍的形式的利普斯。

不包括8j厘米激光流量的数据 −2 ,在表面没有消融的地方 4c 演示了随着激光流量达到25焦厘米,钙的增加 −2 .随后,由于激光流量增加到36千厘米,钙突然下降到一定的值 −2 达到饱和度,即,对于比这个值高的激光荧光,CA几乎保持恒定。形象 4c从光滑PMMA表面和消融PMMA表面的相应粗糙度值的差异来看,当消融发生时,粗糙度增加。然而,在研究的消融范围内,随着激光流量的增加,表面粗糙度并没有显著改变。这表明,由FS激光引起的地形图案/纹理是表面润湿性变化的一个驱动因素,而不是粗糙度的数量。

为了对粗糙表面进行润湿性分析,建立了两个模型来描述与固体表面接触的液体状态。这些模型是文泽尔和凯西-巴克斯特。 [ 32 ]在文泽尔模型(图S2A,辅助资料)中,液体(例如:,液滴)往往通过接触表面下的粗糙和不规则,在那里发生完全的润湿。温泽尔的模型表明,表面润湿性,无论是疏水性还是亲水性,都随着粗糙度的增加而增强。因此,当粗糙度增大时,初始亲水面的钙含量减小,初始疏水面的钙含量增加。在卡西-巴克斯特模型(图S2B,支持信息)中,相形之下,液体不会完全湿湿表面,因此,气孔陷阱在静止液体和实际粗糙表面之间。因此,液体界面成为复合材料,与固体和空气共享界面.卡西-巴克斯特模型预测,无论最初的润湿性行为(亲水性或疏水性),表面粗糙度的增加总是有利于钙的增加。

在这些模型的背景下,考虑到PMMA表面的亲水性适中,低激光荧光条件下,钙随激光通量的增加而增加的趋势表明,虽然观察到了轻微的各向异性润湿性,但液滴行为与卡西-巴克斯特模型是一致的。强的各向异性润湿性的存在需要一个液体体积完全湿的表面和填补空白,这是符合文泽尔模型。对于阈值以上的低激光荧光,由于各向异性润湿性不大,可以假定卡西-巴克斯特模型一般描述润湿行为。因此,预计一些气孔会被夹在粗糙结构的表面和液滴的界面之间。在36焦距的激光中 −2 更大的,CA保持不变,这不能仅用卡西-巴克斯特模型来解释。在这些激光荧光中,各向异性润湿行为增强,表明粗糙表面部分润湿。在这种情况下,润湿行为被认为是部分的,而不是完全的,因为在完全润湿的情况下,正如文泽尔模型所描述的,对于一个最初亲水性的PMMA表面,随着激光的流动性的降低,化学文摘社就应该减少。因此,混合状态(由文泽尔和卡西-巴克斯特模型组成)可归因于润湿行为,当激光流量增加时,从卡西-巴克斯特状态转向混合状态润湿状态。

2.3.2激光扫描速度效应
为了了解激光扫描速度对表面润湿性的影响,首先采用常规方法对表面进行消融。因此,沿着垂直方向(即:, y -轴)和移距分别为533米和7.5米。这导致不同的扫描重叠(从83%到61%不等),因为扫描速度从0.2毫米到4.0毫米不等 −1 .扫描速度的变化可以相当于激光流量的适当变化。图S3A,B,辅助资料中可以观察到这种关系,其中条带的宽度和消融区的深度分别显示出扫描速度(激光流量:25焦距厘米)。 −2 和激光流量(扫描速度:2毫米S −1 )。例如,1毫米S的扫描速度 −1 与36焦距的激光流量大致相关 −2 如果同时考虑到条带的宽度和消融区的深度。条带或微通道的深度与扫描速度的函数(图S4,辅助信息)与消融区深度与扫描速度的趋势相似。在较高的扫描速度下,从表面清除的材料会减少,因为在那里可以观察到边缘深度的变化。

图中描述了通过移动保存样本的平移平台来驱动CA相对于激光扫描速度的变化。 4d 对于25焦距的激光流量 −2 .激光扫描速度的增加导致钙的急剧增加,达到1mm的速度。 −1 除此之外,相反的行为被观察到,但程度较小。光学显微镜图像(图S5a,辅助资料)定性地说明,尽管在61%至80%的范围内有大量的扫描/带式重叠,但PMMA表面的材料清除是以高扫描速度发生的。4毫米S −1 ,不如0.5毫米的消融术有效 −1.图S3B显示的激光刻划区域的消融深度(辅助信息)支持这一摄影演绎。在分析脉冲重叠超过一个点的尺寸,从而在每个点地点收到的入射激光脉冲的数目时,可以找到一种可能的解释。激光扫描速度的变化产生了一个点大小内空间重叠脉冲数的贡献。激光重叠率每一点可以计算(图S6,支持信息)
 
(1)
在哪里 是激光扫描速度, D 是斑点直径,和 R是重复率(1千赫兹)。在激光扫描速度较高的情况下,激光脉冲在现场不存在重叠情况,只接收一次入射激光脉冲。相比之下,在低扫描速度下,每个点大小的脉冲重叠可以接近100%,使最大数量的脉冲击中相同的点。因此,激光可以在现场消融更多的衬底材料,每次激光扫描产生更深的微通道/条带。扫描速度的下降导致条带宽度增加(图S3A,辅助资料),从而导致条带重叠增加,从而影响到表面的图案。光学图像及其相应的AFM地图(图S5A,B,辅助信息)支持这一观测。另外,表面粗糙度的轻微变化与平均表面粗糙度有关, R A ,等于445纳米,扫描速度为0.5毫米S −1 与4毫米口径的308纳米相比 −1 .与其他扫描速度相比,扫描速度为0.5毫米s −1 尽管相应的大扫描重叠(约80%)相关,还是观察到了各向异性润湿行为。这一发现与高激光荧光增强的各向异性行为是一致的(图) 4c )。高激光流量可被视为类似于在消融过程中的小扫描速度(图S3,辅助信息)。通过调整移距来应用固定扫描重叠的结果,预期在质量上类似于在恒定扫描重叠时改变激光荧光。
2.3.3扫描重叠效应
在表面上分别装饰条条的激光条纹法已被证明是揭示各向异性润湿行为的一个重要参数。 [ 24 ] 然而,对于重叠的条带,这种行为还没有报告。在本工作中,我们系统地研究了带式重叠对表面润湿行为的影响。当表面用激光条纹进行处理时,这些条纹被一定距离分开(即:,没有带重叠情况),在表面产生异质性,这被确定为定向图案的表面。 [ 1 ] 这可能会导致表面润湿性出现各向异性行为,这种影响类似于化学异质性所能产生的结果。 [ 33 ] 我们的结果表明,各向异性润湿性不仅仅限于分离条的情况,即。,没有重叠情况,但也可以观察到较大的条/扫描重叠情况。图形 4e–f 演示了以CA为特征的消融区的表面润湿性,这是25和50j厘米激光荧光辐射扫描/条重叠的函数 −2 以2毫米的扫描速度 −1 .实验结果表明,"无扫描重叠"情况下的各向异性润湿性与文献结果一致。 [ 24 ] 值得注意的是,扫描重叠百分比的负值表明激光加工条彼此分离的程度。这些数字还清楚地显示了条状/扫描重叠对各向异性化学文摘社的影响。过大的扫描重叠会导致各向同性表面的润湿性,而从较小到相对大的扫描重叠会导致各向异性润湿性,从而导致各向异性化学文摘社。随着扫描重叠的增加,表面倾向于显示较少的各向异性行为,转向完成各向异性润湿的最大条重叠。随着带式重叠的增加,V型沟结构效应逐渐减弱(图 1f),转变为更各向同性的大条重叠粗糙度元素的随机排列。虽然扫描/带式重叠对润湿各向异性的程度有重大影响,但除了在最大的扫描重叠处观测到的钙含量减少外,对其对润湿性的直接影响(即:,亲水性和疏水性)。

2.3.4双向扫描角度和扫描重复的影响
作为一种不同的制造策略,FS激光具有多方向扫描的能力。在双向90度的扫描角下以双向模式进行消融, θ 巴西网址  = 90度(即,激光消融是沿 y -轴和轴 X -已按顺序进行) [ 15 ] 减少表面粗糙度依赖于扫描方向,从而使粗糙度向随机和各向同性特征。因此,我们假设在不同双向扫描角度的双向扫描模式下,在润湿行为和特性方面可能出现新的方案。在这方面,我们做了双向扫描 θ 巴西网址 生成可进行润湿性分析的消融区。在…里面 图形 5a,b ,核证机关作为 θ 巴西网址 显示在25和50焦距的激光荧光片上 −2 分别,同时保持扫描速度和扫描重叠固定在2毫米S −1 分别为70%和70%。在不同的双向扫描角度中, θ 巴西网址  =  0不仅对应于随后两次扫描之间的0°角,而且还表明在相同条件下对表面进行两次激光消融的情况。图形 5b 说明在双向模式下激光消融对50Jcm激光流的表面润湿性的改变有积极的影响 −2 .在这种特殊情况下,表面润湿性的转变,即从疏水性的开始转变为中度亲水性,是通过不同的方式发生的。 θ 巴西网址 从90度到0度,形成亲水性最强的表面。反过来,表面润湿性大致不受25j厘米激光流量双向扫描角变化的影响。 −2 (图 5a ),在此情况下,CA偏差保持在10%的窄范围内。此外,在较低的温度下,各向异性润湿行为更为明显。 θ 巴西网址 .扫描重叠也显示出一种独特的行为.在50焦距激光流量下扫描重叠率为30%的实验数据 −2 (图 5c )显示在双向扫描角度范围两端表面表现出强烈的各向异性润湿行为。, θ 巴西网址 = 0° and θ 巴西网址 =90°),而中间占支配地位 θ 巴西网址 (i.e., 0°<  θ 巴西网址 其特点是各向同性润湿性.此外,还观察到液滴沿后一种激光加工的方向优先扩散。当比较激光处理区域内的化学文摘社时 θ 巴西网址 = 0° and θ 巴西网址 =90度,各向异性润湿性方向和相应的液滴延伸率与随后两个扫描过程各自的最新扫描方向一致 θ 巴西网址 一直以来 y -轴和轴 X-分别为轴。

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图5
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幻灯片
(a)扫描重叠70%和激光流量25焦距 −2 ,b)70%的扫描重叠和50焦距的激光流量 −2 ,及c)扫描重叠率为30%,激光流量为50焦距 −2 .(d)扩大激光产生区的消融深度(4x4m) 2 )相对于25焦距激光扫描的次数 −2 扫描70%重叠。(e)与单一扫描相比,一定数量扫描后的片状消融深度比,与不同激光荧光扫描速度2毫米S的扫描数函数相同 −1 .(f)在25千厘米激光流动情况下的X相对扫描数 −2 扫描重叠率为70%,扫描速度为2mm −1 .
类似于激光的流动性和扫描速度,重复的扫描消融一个区域可以显著地影响其深度(例如。或扩大切除区)。进行多次扫描可以增加消融深度。图形 5d 介绍了激光消融面积的深度与25焦距的扫描重叠度为70%的扫描数 −2 .这个数字突出表明,消融深度随着扫描次数的增加而增加。因此,扫描重复作为一个重要的参数,允许在没有达到饱和状态的情况下,对消融区的深度进行有控制的调整。饱和度意味着消融区的深度不再随着扫描的重复而增加。同样,同样的原则也适用于随扫描次数而变化的条带深度。预计通过多次重复消融过程,递增趋势最终将达到一个代表饱和状态的稳定期。 [ 34 , 35 ] 此外,每一个激光流量导致一个明显的高原。图形 5e 以不同激光荧光扫描速度2mmS的"扫描次数"函数,展示了相对于单一扫描的一定数量扫描后的片状消融深度比 −1 .激光流量越高,扫描重复对条带深度的影响就越大。,激光流量越高条带深度比就越大。除了对消融深度的影响外,扫描重复还证明了对70%的扫描重叠和25jcm的激光流动性进行表面润湿性修改的能力。 −2 (图 5f)。在表面多次进行激光消融,可以提高其亲水性,达到一定的扫描重复,超过这一点,润湿行为没有改变。相应的地形图(图S7中的AFM地图,辅助信息)提供了进一步的证据,表明扫描的重复将有可能增强扫描的方向性效应,通过这种效应,各向异性行为将得到增强,同时总体降低表面的润湿性。

3.结论
FF激光消融被用来调节PMMA作为微流体器件中普遍存在的材料的表面特性。综合参数研究表明,该激光消融能改变PMMA的润湿性行为。这可能导致从中度亲水性转变为疏水性,或部分增强亲水性。即使是连续处理的激光消融区,激光消融本身也能产生各向异性润湿性。与传统方法相比,这种基于调整相关参数的大型消融区制造方法提供了一种成本效益高的方法。考虑到所有相关参数,这种方法是表面结构形成的一种改进版本。此外,对消融表面的地形和化学分析证实,激光诱导的质地和图案是表面润湿性变化的原因,而不是表面化学和粗糙度。激光消融技术不仅可以生成适合于微流体应用中快速集成的微通道等结构,而且还可以用来改变表面润湿性。通过调整制造参数和激光参数,可以在烧蚀表面上实现各向异性和各向同性润湿性。它非常适合微流体应用中的快速集成,但也可以用来修改表面润湿性。通过调整制造参数和激光参数,可以在烧蚀表面上实现各向异性和各向同性润湿性。它非常适合微流体应用中的快速集成,但也可以用来修改表面润湿性。通过调整制造参数和激光参数,可以在烧蚀表面上实现各向异性和各向同性润湿性。

4个实验组
设备
为了消融PMMA基板,利用光纤激光系统(光谱物理ACE)在800纳米中心波长产生120个FS脉冲,重复率为1千赫兹。透镜的焦距为50mm,激光束通过该焦距聚焦于样品表面,使激光束斑半径 w 0 =6米激光脉冲为线性极化,最大脉冲能量为4MJ.软件控制的翻译阶段被用来引导和翻译样品到预定的路径和位置。工作台的平移速度调整在0-4毫米S之间。 −1 ,当加速度设定在5毫米口径时 −1 .

采用光学钙计(生物林科学测量仪)记录滴滴图像,并对滴滴形状进行自动分析。该方法利用界面软件,利用无柄降法对静态降法进行了测量,并利用该软件对永拉普拉斯拟合进行了降形分析。由于消融技术使暴露的衬底变得粗糙和有组织,所以用光学显微镜对其粗糙度特征和图案进行定性表征。

采用AFM(布鲁克维图)方法,对非接触模式下地形表面粗糙度进行了定量测量。为了了解烧蚀表面是否发生任何表面化学变化,在FS激光照射前后进行了红外光谱分析。在以空气为背景的情况下,用ATR模式(热科学IS10FT-IR)进行了红外光谱仪的测量。收集了光谱(有256次顺序扫描和2厘米分辨率) −1 (由700至4000厘米不等) −1 .每4×4米的消融深度 2用测深仪(德克塔克XT-S触控仪)测量脱光面积,而用白光干涉仪(布鲁克康托利特白光干涉仪)估计条带/微通道的深度。

材料、样品制备和实验程序
使用了厚度为2毫米的pmma板,并以毫米-Q水作为工作液进行CA测量。

在进行任何实验之前,在一个毫Q水浴内用超声波清洗切除的PMMA样品15分钟,然后在50℃的加热板上干燥30分钟。通过测定坐在消融区上的静态液滴(2.5OOOL)的浓度来评估表面润湿性。每次测量至少重复5次,以确保CA测量的可靠性和重复性。为了检测FS激光法的重复性,我们用相同的方法制备了一些样品(每箱两个),并测定了它们的化学文摘社分析结果。数字中的误差条代表CA测量的变化或它们与样本重复的组合,如果适用的话。在重复抽样的情况下,发现CA值变化在3%到20%之间。