仿生多因素耦合润滑剂注入PDMS微孔表面的设计与构建及其减阻应用研究

为解决流体运输和海洋航行中的高摩擦阻力问题，研究人员受猪笼草多因素耦合液面启发，采用飞秒激光(femtosecond laser)技术构建了两种聚二甲基硅氧烷(PDMS)微孔基底（分离型与连通型），通过表面润湿性、液滴冲击、润滑剂注入及微流控筛选实验，首次系统比较了两类润滑剂注入表面(LIS)的性能，证实连通型微孔结构更适用于减阻应用，为飞秒激光加工LIS提供了理论框架与技术参考。

　　

在流体运输和海洋航行领域，摩擦阻力导致的能量损耗一直是制约效率提升的瓶颈。传统主动减阻技术如聚合物注入、气泡补充等虽有效，但存在能耗高、污染环境等问题。受猪笼草(Nepenthes)叶片表面多因素耦合润滑机制的启发，被动式减阻技术——润滑剂注入表面(Liquid-Infused Surface, LIS)应运而生。这类表面通过微纳结构锁住润滑剂，形成稳定的滑移界面，兼具抗污、防腐和减阻功能。然而，如何精准调控微结构以优化LIS性能，尤其是减阻效果，仍是未解难题。

为此，国内某研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，利用飞秒激光(femtosecond laser)这一超精密加工技术，在PDMS表面构建了两种微孔结构（分离型与连通型），并通过系统实验揭示了其减阻机制。飞秒激光凭借超短脉冲(250fs)和超高峰值功率的特性，能实现微米级加工精度，同时最小化热损伤。研究人员通过调控激光扫描速度与间距，实现了微孔形貌从孤立到连通的精准设计。润滑剂注入后，两类LIS的表面性能通过接触角测量、液滴动力学分析、微流控筛选及减阻实验被全面评估。

关键实验技术
研究采用355nm紫外飞秒激光加工PDMS表面，通过单脉冲能量与扫描参数调控微孔形貌；利用白光干涉仪表征表面粗糙度；通过微流控芯片模拟剪切环境评估润滑剂驻留能力；采用定制流体通道测量减阻率。

Femtosecond laser micro/nanofabrication system
飞秒激光系统以150kHz重复频率发射脉冲，通过光束扩展与反射聚焦至PDMS表面。激光功率从0.5W增至2.5W时，单脉冲烧蚀坑直径从15μm扩大至32μm，深度从3.2μm增至8.7μm，表面粗糙度Ra从0.279μm升至0.537μm。

The ablation morphology of single-pulse femtosecond laser single scanning
低功率(0.5W)下形成离散微孔，而高功率(2.5W)导致材料热积累产生连通孔洞。扫描间距为10μm时获得独立微孔，5μm时形成网状连通结构。XPS分析表明激光处理使PDMS表面硅氧键断裂，生成亲油性硅羟基(Si-OH)，提升润滑剂浸润性。

Conclusions
连通型微孔LIS在剪切实验中展现更稳定的润滑剂驻留能力，减阻率达18.7%，高于分离型的12.3%。其机制在于连通结构形成毛细管网络，促进润滑剂补充与压力再分布。研究首次建立飞秒激光参数-微孔形貌-减阻性能的关联模型，为LIS在长距离输油管道、水下航行器等场景的应用提供技术支撑。

该成果不仅拓展了飞秒激光在功能表面加工的应用边界，更通过仿生多因素耦合设计理念，为下一代减阻材料的开发提供了新范式。作者Shang Li等强调，未来可进一步探索微孔拓扑结构对湍流边界层的调控作用，以突破现有减阻效率极限。