飞秒激光结合热丝化学气相沉积制备无PFAS超疏水表面：一种环保型仿生功能材料

为解决传统超疏水表面依赖全氟和多氟烷基物质(PFAS)带来的生态风险，Georg Schnell团队创新性地结合飞秒激光(USPL)加工与热丝化学气相沉积(HFCVD)技术，在不锈钢表面构建了基于硅氧烷的环保涂层。研究通过设计纳米级(NANO)和微米级(MICRO)两种表面结构，实现了静态接触角171.6°、滑动角4.5°的超疏水性能，其横向粘附力低至9 μN，且展现出优异的化学物理稳定性。该成果发表于《Surfaces and Interfaces》，为大规模制备可持续功能表面提供了新范式。

　　

自然界中荷叶的"自清洁效应"长期启发着科学家对超疏水表面(SHS)的探索。这类表面通过微纳分级结构与低表面能化学组成的协同作用，可实现水滴极端排斥（接触角>150°）和污染物防护。然而，当前人工SHS主要依赖全氟/多氟烷基物质(PFAS)降低表面能，这类"永久性化学物质"因难以降解且具有生物累积性，正面临全球范围禁用。更棘手的是，飞秒激光加工虽能精确构建仿生表面形貌，但会诱发高表面能极性基团，需后续处理才能实现超疏水性。如何开发环保、高效且与激光结构化工艺兼容的表面改性技术，成为功能材料领域的重大挑战。

Georg Schnell团队在《Surfaces and Interfaces》发表的这项研究，开创性地将飞秒激光(USPL)与热丝化学气相沉积(HFCVD)联用，采用硅氧烷单体V3D3在激光结构化不锈钢表面沉积超薄聚合物薄膜。通过对比纳米级低空间频率激光诱导周期表面结构(LSF-LIPSS)和微米级自组织结构的性能差异，系统评估了表面形貌与化学组成对润湿行为的调控机制。

关键技术包括：1）采用300 fs脉冲激光在X5CrNi18-10不锈钢上构建NANO（Sa=0.08 μm）和MICRO（Sa=7.94 μm）两种特征结构；2）通过HFCVD在162W热丝功率下沉积51 nm厚硅氧烷聚合物；3）结合CLSM、AFM、XPS等多尺度表征验证涂层保形性；4）采用静态接触角(SCA)、滑动角(SA)及新型液滴粘附力仪(DAFI)量化润湿性能；5）通过砂纸磨损、酸碱侵蚀等7类应力测试评估实用性。

【表面形貌与拓扑结构】SEM/AFM显示激光处理的NANO设计呈现规则LSF-LIPSS（RMS=52 nm），MICRO设计则形成分层微米突起（RMS=151 nm）。HFCVD涂层完美保留原始形貌，未出现纳米结构掩蔽现象（图2）。

【表面化学特性】FTIR证实聚合物含Si-O-Si环状（1014 cm^-1）和线性结构（1093 cm^-1）。XPS检测到Si 2p（102.2 eV）和C 1s（284.8 eV）特征峰，EDX面扫显示硅元素均匀分布，证实涂层全覆盖性（图3）。

【润湿性能】MICRO设计在垂直方向展现最优性能：SCA达171.6°±1.8°，接触角滞后(CAH)仅8.6°，SA低至4.5°。DAFI测试揭示其横向粘附力阈值（F_TH=18.7 μN）和动态维持力（F_KIN=9.0 μN）显著低于NANO设计（图4-5），证实微米结构更利于Cassie-Baxter态稳定。

【环境稳定性】经10,000次水滴冲击、200℃热处理或pH1.4-12.4溶液侵蚀后，MICRO设计仍保持SCA>148°。砂纸磨损虽导致微米结构顶端损伤，但未完全破坏超疏水性（图6），展现优异工程适用性。

该研究首次证明HFCVD硅氧烷涂层可替代PFAS实现高性能SHS，突破传统湿化学法难以在纳米结构上均匀成膜的限制。通过精准调控"飞秒激光形貌设计-HFCVD化学修饰"的协同效应，不仅达到优于多数PFAS基涂层的171.6°接触角，更通过DAFI量化了动态润湿行为，为自清洁、防冰/防腐蚀应用提供新方案。作者特别指出，V3D3单体的高温裂解策略增强了硅氧烷网络交联度，这可能是涂层机械稳定性的关键。未来可拓展该技术至其他金属/聚合物基底，并探索更多环保单体在iCVD/HFCVD中的应用，推动表面工程向可持续发展转型。