LINCSAT：利用碳粉辅助的激光诱导纳米碳合成与转移技术，在平面和三维基底上实现可编程的界面润湿效果

《Applied Surface Science》：LINCSAT: Toner-Assisted Laser-Induced NanoCarbon Synthesis and Transfer for Programmable Interfacial Wetting on Planar and 3D Substrates

　　Soumalya Ghosh | Diala Bani Mustafa | Nathan Carney | Mostafa Bedewy
美国宾夕法尼亚州匹兹堡市匹兹堡大学机械工程与材料科学系

**摘要**
在低服务温度聚合物和复杂的3D基底上直接沉积功能性碳纳米涂层仍然具有挑战性，因为这些基底无法直接进行激光碳化。本文介绍了一种称为“激光诱导碳纳米合成与转移”（LINCSAT）的一步法工艺，该方法结合了聚酰亚胺供体的激光碳化与碳纳米颗粒向物理分离的接收体的垂直转移。通过使用印刷碳粉作为中间层，可以增强供体的光吸收能力，从而在仅需约3.5瓦激光功率的情况下，实现厚度达44微米的均匀涂层。通过系统地调节激光能量密度和供体-接收体间距（1-5毫米），可以控制涂层的厚度、形态以及润湿行为。拉曼光谱、X射线光电子能谱和电子显微镜分析证实，沉积的碳纳米颗粒具有sp2杂化结构，并且具有多孔形态，石墨烯层间的间距为3.35埃。在聚丙烯基底上，LINCSAT技术能够生成超疏水表面（静态接触角约为156°，滚落角≤5°），显示出自清洁表面的潜力；而在玻璃基底上则形成介于疏水与亲水之间的表面（强液滴固定效果，滞后角≥80°），适用于局部检测应用。这些涂层具有良好的附着力和结构稳定性，在2700转/分钟的高速旋转条件下仍能保持其形态和润湿特性。此外，该技术还能在不造成热损伤的情况下在3D聚丙烯缝线上形成致密涂层，证明了其在复杂几何形状基底上的适用性。不同处理条件下的涂层性能具有很好的重复性，测量结果的标准偏差很小。总体而言，LINCSAT提供了一种低能耗、可在常温环境下实现的碳纳米涂层方法，将激光碳化技术扩展到了平面和3D基底，并实现了可编程的界面功能化应用。

**1. 引言**
基于碳的纳米材料（如石墨烯及其衍生物）因其卓越的电子、热学和机械性能，在储能[1]、传感[2]、生物医学[3]、生物电子学[4]以及表面工程[5]等领域受到了广泛关注[6]。在制造技术中，激光诱导石墨烯（LIG）是一种直接书写、可扩展且无溶剂的工艺，能够在常温条件下将富含碳的聚合物转化为多孔的sp2杂化网络[7][8]。自2014年问世以来，LIG已被应用于越来越多的领域[7][10][11][12]。更广泛地说，直接激光写入已成为材料合成、转化和电子器件制造的多功能平台[13]，激光参数（如功率、速度和调制模式）对所得碳材料的光电性能有着显著影响[14]。虽然LIG能够直接在聚酰亚胺等基底上制备导电碳，但形成的结构通常局限于原始辐照区域。这限制了其在需要在其他软质基底（尤其是碳含量低或热稳定性差的基底）上制备功能性碳涂层的应用。因此，对于那些无法通过激光辐照实现碳化/石墨化的低服务温度聚合物，需要其他将碳纳米合成与基底直接碳化过程分离的方法。目前已探索了多种后处理转移技术，包括机械剥离[15]、粘合剂剥离[16]、模具铸造[17]和层压[18]等，但这些方法常常会导致表面裂纹或起皱、导电性降低以及附着力减弱。最近的研究侧重于使用连续波激光进行多步处理，首先生成LIG，再利用脉冲激光将其转移到织物（如掩模）上[19][20]。然而，一步法工艺更为理想，因为它能够在同一激光辐照过程中同时完成碳纳米的合成和转移。例如，通过调整工艺参数，可以在PTFE、纺织品和纸张等柔性基底上实现激光辅助的爆炸性合成与转移（LEST）[21][22][23]，这种方法能够形成sp2含量高且形态可调的石墨烯涂层。不过，高功率需求、基底损伤风险以及表面润湿控制的局限性仍限制了这类方法在实际应用中的可行性，尤其是在三维物体上。

在这项工作中，我们开发了一种激光诱导碳纳米合成与转移（LINCSAT）技术，通过施加近红外（NIR）吸收性的铁基碳粉，增强了热导性聚酰亚胺（PI）膜的局部碳化效果。碳粉层提高了供体表面的光热能量耦合效率，使得在较低功率下也能实现高效的碳纳米转移。实验中使用了脉冲光纤激光器，并系统地改变了供体-接收体之间的距离，以研究其对沉积质量的影响。与仅依赖聚酰亚胺本身吸收性的方法不同，碳粉的引入使得LINCSAT工艺不仅能够在平面玻璃和聚丙烯（PP）基底上生成均匀的碳纳米涂层，还能在3D结构（如聚丙烯缝线）上实现致密涂层，且不会造成热损伤。我们评估了在不同激光功率和界面条件下的大面积及图案化涂层效果。通过扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）对供体和接收体表面的形态和结构进行了表征。还对转移后的碳层进行了三维轮廓测量，以确定涂层厚度，作为沉积碳量的定量指标。XPS分析进一步揭示了高碳含量以及极低的氧和氮掺杂程度，表明碳纳米颗粒经历了有效的石墨化过程。通过接触角和滚落角测试评估了涂层的润湿性和附着力，结果显示在涡流搅动后涂层仍保持性能。

**2. 结果与讨论**
**2.1 LINCSAT过程机制**
图1a展示了LINCSAT过程的示意图，说明了碳纳米的形成和转移机制。我们观察到激光照射时LIG主要在聚酰亚胺膜的底部形成，而非顶部表面[25]。这是通过表面工程结合激光参数调节来实现空间热量聚焦的。选择10.8瓦的激光功率后，在聚酰亚胺供体膜的底部成功生成了LIG。当用脉冲近红外（NIR）激光（1064纳米，10.8瓦）照射供体时，不仅供体底部形成了LIG，同时还在下方的接收体基底上沉积了碳纳米涂层，从而完成了LINCSAT过程。这一现象既表明供体聚合物发生了原位碳化，也证明了在常温条件下碳纳米颗粒的喷射与转移。

对供体上的LIG和接收体上的LINCSAT涂层进行了拉曼光谱分析（图1a，b）：供体上的LIG展示了特征性的D、G和2D峰，证实了石墨化的成功（与先前的研究结果一致[26][27]；而接收体上的碳纳米涂层则显示出较宽的D和G峰以及较弱的2D峰，表明转移材料的拓扑结构较为无序。D和G峰的半高宽（FWHW）扩大通常与石墨化系统中的结构缺陷和非晶化程度较高相关[28][29]。

尽管存在这种宽化现象，转移后的碳纳米涂层仍保持了相似的ID/IG比例（晶面间距与晶粒尺寸的比值），表明其晶粒尺寸相当[30]。根据Tuinstra-Koenig关系，较低的ID/IG比意味着材料缺陷较少、晶粒尺寸较大，从而具有更高的石墨化程度和质量[31]。然而，transfer后2D峰的强度降低可能是由于层状结构不完整、层形成不完全或受到聚酰亚胺中杂质（如氮和氧）的掺杂[32][33][34]，以及高温作用下氧化铝的迁移[34]。控制激光辐照过程中的能量传递动力学对LIG的石墨化质量和电学性能具有重要影响[27][35]，这为进一步优化LINCSAT工艺提供了指导。

光学图像进一步验证了这种双位点形成过程：供体底部形成了局部LIG（图1c），而接收体在辐照后从原始状态（图1d）变为均匀致暗状态（图1e）。截面光学成像显示LIG仅形成在供体底部（图1f），而接收体上的沉积则仅发生在顶部表面（图1g），说明转移过程是单向进行的。供体的扫描电子显微镜（SEM）图像显示LIG区域具有密集的纤维状结构（图1h）；接收体上的LINCSAT涂层则表现出更均匀的分布（图1i），纤维结构在两种基底上都具有相似的尺寸和拓扑特征（图1j和k）。

尽管有结构变化，LINCSAT涂层中的ID/IG比例仍然表明晶粒尺寸相近[30]。根据Tuinstra-Koenig关系，较低的ID/IG比意味着材料缺陷较少、晶粒尺寸较大，因此具有更高的石墨化程度和结构质量[31]。不过，transfer后2D峰强度的降低可能是由于层状堆叠不均匀、层形成不完全或受到聚酰亚胺中杂质（如氮和氧）的掺杂，以及高温作用下氧化铝的迁移[34]。控制激光辐照过程中的能量传递动力学对LIG的石墨化质量和电学性能有显著影响[27][35]。

**2.2 通过碳粉辅助吸收层调控LINCSAT过程**
为提高LINCSAT过程的效率和碳纳米转移的质量，我们在聚酰亚胺供体膜底部表面涂覆了含有磁性氧化铁的碳粉（油墨层），以增强激光加热效果，从而提高局部能量密度，促进更有效的碳化和转移。碳粉层的加入增强了供体表面的光热能量转换效率，使得在较低功率下也能实现碳纳米的转移。紫外-可见光谱（UV–Vis）分析表明，碳粉涂层显著提高了聚酰亚胺在近红外范围内的吸光率，从无涂层时的1.4%提升至38.7%（图S1）。这为热积累的提升提供了定量证据，有利于供体表面的石墨化以及碳纳米向接收体的转移。

图2a和b分别展示了有无碳粉层时的LINCSAT过程示意图。激光辐照后的聚丙烯（PP）接收体表面的光学图像显示，使用碳粉的情况下涂层更均匀且颜色更深（图2c，d），而未涂碳粉的情况下则较浅（图2a，d）。值得注意的是，在有碳粉的情况下，使用显著较低的激光功率（3.5 W）就实现了成功的转移，而在没有碳粉层的情况下，低于10.8 W的功率则无法实现沉积。图S2和图S3提供了不同功率水平下的额外光学图像，进一步证明了通过碳粉辅助过程实现的沉积效果的提升。在较高功率下，裸露的聚酰亚胺需要10.8 W才能引发转移，但导致沉积不均匀且稀疏（图2e）。而涂有碳粉的供体则产生了致密且连续的图案（图2g）。更高倍数的扫描电子显微镜（SEM）图像进一步阐明了这些差异：在没有碳粉的情况下，接收器上的LINCSAT结构薄且不连续，表面覆盖率较低（图2f）。相比之下，碳粉辅助沉积产生的纳米碳网络更加致密且体积更大，由相互连接的纤维状结构组成（图2h），表明材料积累和均匀性得到了改善。未涂层的PP块作为基线显示在图S4中。

值得注意的是，在有碳粉的情况下，使用显著较低的激光功率（3.5 W）就实现了成功的转移，而在没有碳粉层的情况下，低于10.8 W的功率则无法实现沉积。图S2和图S3提供了不同功率水平下的额外光学图像，进一步证明了通过碳粉辅助过程实现的沉积效果的提升。在较高功率下，裸露的聚酰亚胺需要10.8 W才能引发转移，但导致沉积不均匀且稀疏（图2e）。而涂有碳粉的供体则产生了致密且连续的图案（图2g）。更高倍数的扫描电子显微镜（SEM）图像进一步阐明了这些差异：在没有碳粉的情况下，接收器上的LINCSAT结构薄且不连续，表面覆盖率较低（图2f）。相比之下，碳粉辅助沉积产生的纳米碳网络更加致密且体积更大，由相互连接的纤维状结构组成（图2h），表明材料积累和均匀性得到了改善。未涂层的PP块作为基线显示在图S4中。

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图2. 示意图（a, b）展示了有无碳粉（墨水）层的LINCSAT过程，显示碳粉涂层增强了材料转移。光学图像（c, d）和扫描电子显微镜（SEM）显微图（e, h）证实了使用碳粉时沉积更多，形态更明显。三维轮廓测量（i, j）显示碳粉使线条高度增加。定量图表（k）比较了不同激光功率和能量密度下的平均涂层厚度，拉曼光谱（l）确认无论是否有碳粉，纳米碳的质量都相当。
轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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图2. 示意图（a, b）展示了有无碳粉（墨水）层的LINCSAT过程，显示碳粉涂层增强了材料转移。光学图像（c, d）和扫描电子显微镜（SEM）显微图（e, h）证实了使用碳粉时沉积更多，形态更明显。三维轮廓测量（i, j）显示碳粉使线条高度增加。定量图表（k）比较了不同激光功率和能量密度下的平均涂层厚度，拉曼光谱（l）确认无论是否有碳粉，纳米碳的质量都相当。
轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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图2. 示意图（a, b）展示了有无碳粉（墨水）层的LINCSAT过程，显示碳粉涂层增强了材料转移。光学图像（c, d）和扫描电子显微镜（SEM）显微图（e, h）证实了使用碳粉时沉积更多，形态更明显。三维轮廓测量（i, j）显示碳粉使线条高度增加。定量图表（k）比较了不同激光功率和能量密度下的平均涂层厚度，拉曼光谱（l）确认无论是否有碳粉，纳米碳的质量都相当。
轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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轮廓测量分析证实了扫描电子显微镜（SEM）观察到的形态差异。在没有碳粉的情况下，使用较高功率（10.8 W）生成的LINCSAT涂层厚度为25.63 μm，而碳粉辅助沉积的涂层厚度达到44.12 μm（图2i, j）。图2k中的对比图表显示了两种条件下涂层高度随激光功率的变化，误差条代表沿每条转移线测量的高度的一个标准偏差。在该图表中，绿色和黄色区域表示使用碳粉涂层的供体成功转移，而红色和黄色区域表示未涂层聚酰亚胺（PI）的转移范围。低于这些区域的功率没有导致沉积，而高于这些区域的功率则由于过度加热对供体和/或接收器造成了物理损伤。黄色区域表明，在相同功率下，碳粉涂层始终比裸露涂层具有更高的厚度。值得注意的是，未使用碳粉时获得的最大厚度（17.5 W时为38.4 μm）低于使用碳粉时获得的最小厚度（3.5 W时为44.1 μm），这突显了碳粉在增强沉积过程中的关键作用。此外，无墨水涂层的PP基线显示在图S4中。

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图2. 示意图（a, b）展示了有无碳粉（墨水）层的LINCSAT过程，显示碳粉这些结果共同证实，LINCSAT工艺能够实现激光碳化材料的共形转移，并控制金属掺杂的含量，在缝合线周围形成成分复杂且空间均匀的涂层。下载：下载高分辨率图像（927KB）下载：下载全尺寸图像

图3. (a) 使用裸露的聚酰亚胺供体的圆柱形缝合线上的LINCSAT工艺示意图，导致部分熔化和涂层一致性降低。(b) 使用带墨水的碳粉供体的工艺示意图，实现无热损伤的均匀沉积。(c) 未使用碳粉的LINCSAT后缝合线表面的SEM图像，显示出不规则的涂层和表面破坏。(d) 使用碳粉的LINCSAT后缝合线表面的SEM图像，显示出光滑连续的覆盖层。(e) 未使用碳粉的原始缝合线的横截面SEM图像，显示原始纤维形态。(f) 使用碳粉的缝合线的横截面SEM图像，显示出不均匀的沉积和表面损伤。(g) 使用碳粉的缝合线的横截面SEM图像，显示出具有保持表面完整性的均匀纳米碳层。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像

图4. (a) 使用带碳粉的PI在3.5 W激光功率下对聚丙烯（PP）缝合线进行共形LINCSAT处理的SEM图像。框内区域表示用于评估涂层一致性的顶部、侧面和底部表面。(b) 顶部表面的更高倍率SEM图像，显示均匀的纳米碳沉积。(c) 左上侧表面的更高倍率SEM图像，显示连续的涂层。(d) 右侧表面的更高倍率SEM图像，显示一致的覆盖层。(e) 底部表面的更高倍率SEM图像，显示圆柱几何形状底部的共形涂层。(f) 经过LINCSAT处理的缝合线选定区域的SEM图像，用于分析元素组成。(g–j) 分别使用EDS获取的(f)区域中铝、铁、氧和碳的元素图谱。(k) (b)中顶部表面区域的更高倍率SEM。(l–o) 对应于(k)区域的铝、铁、氧和碳的元素图谱，也是使用EDS获取的。

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图5. (a) 使用和不使用碳粉（墨水）在不同激光功率下处理的样品的XPS扫描光谱。(b) 从扫描中提取的铝、氧、氮和碳的原子百分比。(c) 在3.5 W和10.8 W功率下使用碳粉（墨水）的样品以及在没有碳粉的情况下在10.8 W功率下的高分辨率O 1s光谱。(d) 在(c)所示相同条件下的高分辨率C 1s光谱，分解为C–C sp2、C–C sp3、C–N和CO键合态。(e) 从C 1s光谱中提取的碳键合态的面积百分比分布。(f) 使用碳粉的样品的高分辨率TEM图像，显示层间间距。(g) 不使用碳粉的样品的高分辨率TEM图像，显示层间间距。

为了更好地理解碳粉辅助激光转移过程中的元素组成和化学状态，对三个代表性样品进行了XPS分析。如图5所示，我们比较了以下情况：(i) 在3.5 W低功率下使用碳粉辅助的LINCSAT（INK 3.5 W结果显示为绿色），(ii) 在10.8 W高功率下使用碳粉辅助的LINCSAT（INK 10.8 W结果显示为蓝色），以及(iii) 在10.8 W高功率下不使用碳粉的LINCSAT（NINK结果显示为红色）。图5a显示了三个样品的宽范围XPS扫描光谱。正如预期的那样，所有光谱都显示了与典型的聚酰亚胺衍生碳结构一致的C 1s、O 1s和N 1s峰[26],[42]。值得注意的是，在使用碳粉处理的样品中，Al 2s和Al 2p信号清晰可见，表明存在来自填充有氧化铝的聚酰亚胺基底的铝基物种。从这些光谱中得出的原子组成在图5b中进行了总结。原子百分比在补充信息表1中提供。

从这些原子百分比可以看出，使用碳粉处理的样品中的铝含量显著更高，特别是在更高的激光功率下（碳粉处理的情况下为5.17%，而裸露样品在10.8 W功率下为1.95%）。这种铝信号的增加归因于在强激光照射下，由于供体PI薄膜底部靠近碳粉层的地方热浓度较高，导致从聚酰亚胺供体表面增强了铝含物种的喷射和随后的沉积。详细的数值在补充信息表1中提供。C 1s信号在没有碳粉的情况下最高（84.69%），而在含碳粉的样品中较低（在10.8 W功率下为75.08%，在3.5 W功率下为77.59%）。这种明显的碳信号减少与铝的存在有关[43]。由于铝以颗粒形式存在，并且XPS对表面非常敏感，因此来自分散的Al2O3颗粒的强铝信号占据了样品光电子发射的较大比例[43],[44]。这些趋势在图5c中的高分辨率O 1s光谱中得到了证实。含碳粉样品的O 1s峰主要由Al2O3成分主导，而不含碳粉的样品仅显示少量铝氧化物贡献。这表明含碳粉涂层中O 1s原子百分比的显著增加主要是由于激光过程中存在氧化铝，而不是由于沉积的纳米碳结构中的氧含量[43]。因此，含碳粉样品中氧含量的增加不仅仅是聚合物热解的副产品，还反映了将多种金属氧化物物种结合到涂层基质中的能力[45],[46]，突显了LINCSAT在创建多功能表面的混合和复合涂层方面的能力。

为了进一步探究碳键合的性质，对所有三个代表性样品获取了高分辨率C 1s光谱，如图5d所示。去卷积揭示了三个主要成分：一个低结合能的峰对应于石墨化的sp2碳（CC），一个中心宽峰对应于sp3杂化的C–C和C–N键，以及一个高结合能的峰与氧化碳物种（CO）相关。为了量化这些化学状态的分布，进行了峰值拟合，并计算了每个成分的相对百分比面积。定量分析在图5e中总结，详细数值在补充信息表2中提供。这项分析突出了几个关键趋势：

1. 碳粉（墨水）的影响：在激光处理过程中使用碳粉层显著提高了sp2碳的比例，同时减少了sp3/C–N和氧化（CO）物种的相对丰度[9],[26]。例如，在10.8 W功率下使用碳粉处理的样品显示出57.33%的高sp2含量和30.94%的较低C–Csp3/C–N含量，而CO成分仅为11.73%。相比之下，在相同功率下不使用碳粉的样品显示出较低的sp2碳含量（25.48%）和较高的C–Csp3/C–N含量（63.73%），表明无序程度更高，石墨化程度较低。这强烈表明碳粉的存在不仅促进了石墨化，还抑制了无定形或缺陷丰富的碳相的形成。

2. 激光功率的影响：在存在碳粉的情况下，将激光功率从3.5 W增加到10.8 W进一步改善了碳结构。具体来说，sp2含量从3.5 W时的52.88%增加到10.8 W时的57.33%，而CO成分从17.7%下降到11.73%。在更高功率下氧含物种的减少与之前的报道一致[26],[42]。

3. 碳粉和功率的协同作用：在10.8 W高功率和碳粉共同作用下处理的样品显示出了最理想的碳组成，具有高sp2含量、最小的氧化和低的氮掺入。这种协同作用可以归因于由于碳粉层的光学吸收增强而实现的显著更高的有效能量密度。由此产生的热限制导致局部快速加热，促进了聚酰亚胺骨架的断裂和有序石墨相领域的形成[9],[11],[26]。同时，氧含量的减少（无论是C 1s核心扫描中的CO成分还是整体O 1s信号）进一步证实了通过这一过程获得的更高程度的碳纯度[9],[11],[26]。

这些光谱趋势还得到了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）结构观察的支持，如图5f–g所示。使用碳粉层处理的样品（图5f）显示出明确的晶格条纹，层间间距为3.35 ?，而不使用碳粉处理的样品（图5g）显示出更无序的石墨层，层间间距稍大，为3.55 ?。含碳粉样品中较小的层间距离进一步证实了形成更密集、更有序的石墨领域，且杂原子掺入较少。类似的趋势也在LIG研究中有所报道，其中间距减小与导电性增强和缺陷减少相关[9],[26]。使用快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）对这些HRTEM图像进行的进一步频域分析在补充信息的图S11中提供。

此外，如图S12所示，对三个代表性样品收集了Fe 2p的高分辨率XPS扫描。所有光谱都显示相对较弱的信号，没有明显的Fe2p3/2或Fe2p1/2峰超过噪声水平。这一观察与我们之前的EDS结果（图3j）一致，在含碳粉的样品中铁仅以微量存在，在不含碳粉的条件下无法检测到铁。缺乏强烈的铁峰进一步强化了碳粉配方中的铁不会大量沉积到接收基底上的观点。相反，来自聚酰亚胺的铝始终出现在最终涂层中，这一点通过XPS和EDS得到了证实。这种差异化的沉积行为提供了对转移材料组成的有趣控制：嵌入聚合物基质中的金属（例如铝）容易被喷射并整合到涂层中，而外部添加的基于碳粉的金属（例如铁）则可能保持很少或选择性沉积，这取决于工艺条件。这一见解为在LINCSAT中工程化材料选择性提供了有希望的机会。具体来说，通过将某些元素（如具有光活性或压电特性的功能性氧化物）嵌入聚合物基质中，可以确保它们在激光处理过程中有效整合到接收基底上的LINCSAT涂层中。相比之下，通过非常薄的表层引入的成分（例如本研究中的铁氧化物基碳粉）则几乎不转移或在LINCSAT涂层中保持非常低的不可检测百分比。这种区别表明我们可以策略性地设计供体组成：将所需的功能性元素嵌入聚合物中进行转移，而将其他材料仅作为光学吸收剂使用，以增强光热转换，而不显著贡献于沉积的材料。这种可调控制可以用于选择性图案化、控制化学功能性和在生物传感和多功能涂层等应用中的高级器件集成。

2.4. LINCSAT中供体-接收体距离的影响

系统评估了激光束光栅扫描覆盖的LINCSAT区域中基底间距（δ）对涂层厚度、形态和粘附力的影响，这与图2中显示的单线结果有所不同。激光束腰直接聚焦在涂有碳粉的聚酰亚胺（PI）供体上，而供体和接收体之间的垂直间距从1 mm变化到5 mm，增量为1 mm（图6a）。与之前的线状图案实验不同，这里照射了平方区域以评估较厚功能涂层的性能。使用阴影掩模对接收体进行空间屏蔽，以展示图案化和局部沉积控制（图6b）。

为了评估涂层粘附力，所有具有LINCSAT涂层区域的样品都经历了2700 rpm下的涡流诱导机械搅拌两个1分钟周期（图6c）。在清洗前后测量涂层厚度以量化保留情况。（图6d）展示了δ与涂层高度之间的反比关系。随着间距的增加，沉积的纳米碳高度降低，这与较大间隙下的羽流扩散增加和转移效率降低一致。重要的是，经过涡流清洗后，在δ值为1–3 mm的范围内形成的涂层保留了超过500 μm的厚度，表明对玻璃基底的强粘附力。清洗后的趋势保持了原始的间距依赖性。

这种空间依赖性可以通过基于喷射的模型来理解[27]。在较小的δ值下，烧蚀的颗粒被限制在狭窄的轨迹内，导致集中沉积和最小的横向扩散（图S13a）。相反，较大的间隙促进了羽流扩散和LINCSAT的空间扩散，减少了目标位置的局部材料积累（图S13b）。沉积区域的光学图像（图S13c）直观地证实了这些趋势；在δ = 1 mm时观察到较暗、密度较高的涂层，而在δ = 5 mm时形成的涂层较浅且不均匀。拉曼光谱确认沉积的涂层显示出特征性的D带和G带，这表明其中含有sp2碳（图6e）。在δ值为1–3 mm时，检测到大约850 cm–1处的额外峰，该峰与sp3杂化碳相关[47]，[48]，[49]。这一特征之前在LIG中被报道过[50]，但在清洗后减弱，表明低密度、富含sp3的无定形成分被优先去除。从玻璃基底（GS）收集的拉曼光谱显示出背景特征，干扰了对2D峰的准确分析，尤其是在δ值较大且涂层较薄的样品中（图S14）。在使用聚丙烯基底的早期实验中并未观察到这一问题，因为那时背景信号非常小。所有δ值（清洗前后）的完整拉曼光谱显示在图S15中，捕捉了不同条件下特征性D带、G带和2D带的变化情况。光学显微镜观察（图S16）进一步证实了这一视觉趋势。LINCSAT涂层的厚度随着δ的增加而逐渐减小，颜色也变得更浅。尽管在较大间隙处的沉积量减少，但在涡流搅拌后涂层仍然保持完整。扫描电子显微镜（SEM）图像提供了有关表面形态的额外信息。清洗前，在δ = 1 mm处沉积的涂层显示出密集排列的纤维状纳米碳网络（图6f），而在δ = 5 mm处沉积的涂层则显得更加破碎和稀疏（图6g）。清洗后的SEM图像（图6h, i）显示形态退化最小，表明颗粒保持力和粘附力很强。所有间隙值（清洗前后）的额外SEM比较显示在图S17中。这些结果证实较小的基底间隙不仅提高了沉积效率，还产生了具有更好均匀性和机械强度的涂层。结构的保留凸显了LINCSAT涂层的强粘附性，使其适用于许多实际应用中的表面功能化。

为了进一步验证涂层的韧性，对清洗后的聚丙烯纤维进行SEM分析后发现，如图3和图S18a-c所示，涂层的保形覆盖在整个基底上保持完整，没有明显的结构脱落。即使经过长时间的机械弯曲（1000次循环），SEM成像（图S19a）仍显示纳米碳涂层沿着纤维表面保持完整。高倍率检查（图S19b）显示表面没有明显退化，形态依然完好，从而证实了LINCSAT添加剂在聚丙烯缝合线上的机械耐用性。通过EDS（图S20）进行的元素分析确认涂层中继续存在碳、氧、铝和微量铁。值得注意的是，即使在清洗后，所有这些元素仍然可检测到（图S20），表明它们与基底有很强的化学粘附力。

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图6. (a) LINCSAT过程中基底间距（δ）对光束强度的影响。(b) 使用物理掩模定义涂层。(c) 涡流清洗以及掩模区域与暴露区域的材料保留情况。(d) 清洗前后涂层厚度与δ的关系。(e) δ = 1和5 mm时清洗前后的拉曼光谱（GS表示来自底层玻璃载玻片的峰).(f,g) 清洗前涂层区域的SEM图像（δ = 1和5 mm）；插图：光学图像。(h,i) 清洗后的SEM图像；插图：相应的光学图像。

2.5. LINCSAT涂层表面的水润湿性和粘附性
评估了在不同基底间距（δ = 1–5 mm）下，未清洗和清洗后的LINCSAT涂层在玻璃和聚丙烯基底上的表面润湿特性。使用静态接触角（CA）和动态滚落测量来评估表面功能性和自清洁性能。玻璃基底明显依赖于δ和机械耐用性。对于未清洗的样品，在δ = 1 mm时接触角达到141.3° ± 3.09°，显示出高疏水性[51]，[52]（图7a）。随着δ的增加，接触角急剧下降，在δ = 5 mm时降至23.18° ± 0.38°，这仍然显著高于非常亲水的玻璃载玻片表面（接触角≤10°）。清洗后，玻璃上的涂层变得不那么疏水，所有δ值下的接触角均低于55°，表明表面性质发生了显著变化，这可以为调节提供可能。清洗后δ = 1 mm的样品接触角为52.53° ± 0.055°，而δ = 5 mm时接触角为7.96° ± 0.17°。相比之下，聚丙烯（PP）基底在所有间隙条件下都保持了强疏水性。在δ = 1 mm时，未清洗的PP接触角为156.13° ± 0.31°，属于超疏水范围（>150°）[53]，[54]，[55]。即使经过清洗，涂层仍然保持良好的排斥性能，接触角为137.98° ± 0.65°（图7b）。尽管间隙增大时接触角略有下降（在δ = 5 mm时降至106°），所有值都高于疏水阈值（90°）[51]，证实了 LINCSAT添加剂的机械韧性。详细测量了聚丙烯和玻璃基底的静态接触角，包括清洗过程中的绝对接触角和初始涂层接触角的保留比例，见表S12和S13。

需要注意的是，δ的变化不仅改变了供体-受体间隙，还改变了作用在受体表面的有效能量密度。由于受体离焦点平面更远，光束发生扩散，光斑直径从δ = 0 mm时的约35.62μm增加到δ = 5 mm时的约170μm，而能量密度在同一范围内从约156 J/cm2降低到约18 J/cm2（图S21 a, b）。δ与能量密度之间的这种耦合直接影响转移的纳米碳的数量和形态，从而决定了最终的润湿行为。为了量化这种关系，将接触角相对于未涂层基底的百分比增加与δ以及相应的能量密度值一起绘制在图S21 c, d中。在玻璃上，接触角增强在δ = 1 mm时达到约525%（能量密度约80 J/cm2），而在δ = 5 mm时急剧下降至接近零（能量密度约5 J/cm2）。在聚丙烯上，接触角增强在δ = 1 mm时约为31%，并在δ = 5 mm时更缓慢地降低至约0.32%，反映了未涂层PP表面的固有疏水性。在两种基底上，较小的间隙下的更高能量密度与更大的润湿增强相关，证实了LINCSAT涂层的功能性能直接与转移过程中传递的能量相关。

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图7. (a) 在不同基底间距（δ）下，对比未清洗和清洗后的LINCSAT涂层玻璃载玻片的接触角测量结果。(b) 在不同基底间距（δ）下，对比未清洗和清洗后的LINCSAT涂层聚丙烯基板的接触角测量结果。(c) 清洗前后玻璃载玻片上水滴的光学图像。(d) 清洗前后聚丙烯表面上水滴的光学图像。

为了证明工艺的稳健性，在相同条件下（3.5 W, 200 ns, 400 kHz, 80 mm/s, δ = 1 mm）处理的三个独立制备的LINCSAT涂层聚丙烯样品上的静态接触角测量结果证实了样品间疏水行为的良好重复性（图S22）。通过比较涂层后立即测量和一年后的测量结果，进一步评估了这种行为的长期稳定性，结果显示尽管接触角有所降低，表面仍保持高疏水性（图S23）。除了静态接触角外，还通过前进和后退角度测量来表征水滴的动态行为，以确定接触角滞后现象。低滞后性与水滴的高流动性相关，是有效滚落行为和自清洁潜力的关键指标[56]，[57]。当滞后角低于10°时，滚落角通常较低；而对于较高的滞后角，由于水滴的固定作用，滚落角会迅速增加[58]，[59]，[60]。对于未清洗的PP，LINCSAT涂层始终表现出优异的滚落性能。在δ = 1–3 mm时，滞后角分别为0°、0°和0.02°，对应的滚落角低于5°（图8b）。这表明表面处于超疏水状态，水滴可以轻松滑落而无需外部刺激[61]。在δ = 4和5 mm时，滚落角增加到90°，表明水滴固定作用较强，水滴流动性受限。这些结果表明，在较小的供体-受体间隙下，特别是δ = 1–3 mm时，未清洗的PP实现了有效的自清洁行为。清洗后，PP涂层仍保持功能性能。滞后角的增加在δ = 1 mm时达到40.83°，而在较宽间隙（例如δ = 1–3 mm）时仍然较高（图8d）。这些值表明，虽然表面在液体中的机械搅拌或反复的弯曲应力不会损害LINCSAT的功能性和耐用性。

此外，在相同条件下（3.5 W, 200 ns, 400 kHz, 80 mm/s, δ = 1 mm）制备的LINCSAT涂层聚丙烯样品上进行重复的动态测量显示，三次连续测试中前进/后退行为仅有微小变化（图S24）。对测量区域的光学和SEM分析显示了局部水滴足迹，但没有证据表明表层纳米碳层被大量去除，表明反复水滴滚动引起的毛细应力和剪切应力仅导致了轻微的局部密集化，不足以显著改变润湿响应。

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图8. (a) 清洗前LINCSAT涂层玻璃载玻片的前进和后退接触角滞后现象，包括滚落角。(b) 清洗前LINCSAT涂层聚丙烯基板的前进和后退接触角滞后现象，包括滚落角。(c) 清洗后玻璃载玻片的前进和后退接触角滞后现象，显示滚落行为。(d) 清洗后聚丙烯基板的前进和后退接触角滞后现象，显示滚落行为。

2.6. 聚丙烯上的功能性不粘特性
总的来说，LINCSAT在聚丙烯基底上生成了超疏水和低滞后性的涂层。这使得表面具有自清洁和抗粘特性。在这种条件下，水滴容易脱离并滚动，带走表面颗粒（Cassie–Baxter润湿模型中的最小固定作用）。(i) 分层微/纳米纤维形貌和(ii) 本质上低能量的碳化学成分的结合至关重要：这两种特性都可以通过激光功率和助剂吸收层进行调节。实际上，这样的表面适用于防污、防生物污染（减少水性介质的停留时间）、开放表面微流控中的低粘附传输、包装/分配用防粘衬垫以及需要快速水滴脱落的设备中的脱湿层（例如，冷凝液管理、喷雾暴露部件）[64]。重要的是，即使在涡流搅拌后，低滚落性能也基本保持，表明表面在简单的机械挑战下具有鲁棒性。因此，LINCSAT也适用于热管理和防冰应用[65]。另一方面，玻璃基底的滚落性能明显较差。即使在未清洗状态下，δ = 1 mm时的滞后角约为88.31°，滚落角为90°，并且在更高δ值时进一步增加（图8a）。清洗后，滞后角减小（例如，δ = 1 mm时为18.6°，图8c），接触角显著下降，导致水滴流动性降低。尤其是在清洗后，由于表面粗糙度降低、疏水化学性质减弱[66]以及LINCSAT层的固定作用，玻璃上的滚落受到严重阻碍。

2.7. 玻璃上的亲水-疏水转换及“亚疏水”状态
在玻璃上，原始的亲水性转变为疏水性行为（清洗前的静态接触角约为141°），但具有高接触角滞后性和较大的倾斜角度（即水滴被固定）。这种“粘性疏水”或“亚疏水”状态具有高静态角和强固定作用，类似于玫瑰花瓣效应[67]。这种行为对于水滴的固定、操纵和开放表面分析非常有用[68]。这些应用包括固定液滴以抵抗振动/倾斜，实现现场孵育、蒸发驱动的预浓缩、局部反应以及图案化沉积（例如，用于表面增强拉曼散射(SERS)或比色读数），而无需物理屏障。清洗后，静态角度减小，滞后现象也有所缓解，表明部分负责强固定的微/纳米级粗糙表面被去除；然而，相对于未涂层的玻璃，表面仍然具有疏水性。

2.8 通过 LINCSAT 控制润湿性和更广泛的应用设计规则
LINCSAT 涂层的润湿响应可以通过一个清晰的过程-结构-性能-效果框架来解释。关键的过程参数是供体-受体间距（δ），它同时控制着（i）受体处的有效能量密度和（ii）转移的纳米碳的空间分布。当 δ 从 1毫米增加到 5毫米时，光束发散会减少受体处的能量密度（图 S21a,b），并使转移的物质覆盖更大的面积。这导致涂层厚度、覆盖率和形态的系统性变化。这些过程变化直接转化为沉积的纳米碳的结构演变。在小间隙（δ=1–3毫米）下，高能量密度会产生由密集纤维网络组成的厚涂层，具有层次性的微观和纳米级粗糙度，如 SEM 图像所示（图 S17）。在较大间隙下，能量密度降低会导致涂层变薄且不连续，形态变得稀疏和破碎，同时拉曼光谱中的 sp2 碳信号强度减弱（图 S15）。因此，δ 是控制表面纹理的幅度（粗糙度）和连通性（覆盖率）的调节旋钮。这种结构演变通过影响液-固接触和空气捕获来控制润湿状态。在低表面能基底（如聚丙烯）上，小 δ 下的层次性粗糙度促进了稳定的 Cassie–Baxter 状态，液滴下会保留空气囊泡。这导致超疏水行为，具有高接触角（约 156°）和低附着力（低滞后），从而实现液滴移动和自清洁功能。相比之下，在高表面能基底（如玻璃）上，相同的粗糙度会导致液体部分渗透到多孔纳米碳网络中，形成浸渍型 Cassie–Baxter（或 Cassie–Wenzel 混合）状态。这种状态保持较高的表观接触角（δ=1毫米时约 141°，比未涂层玻璃高约 525%），但具有强烈的接触线固定和 high 滞后（≥80°），导致次疏水行为。

随着 δ 的增加，涂层变薄且连通性减弱，维持空气捕获或液体渗透的能力也随之下降。因此，两种基底的接触角增强效果减小，润湿改性效果也减弱，由于玻璃的亲水本性，这种效应在玻璃上更为明显（图 S21c,d）。这些观察结果证实，功能性的润湿响应不仅由粗糙度幅度决定，还由纳米碳网络的连通性和覆盖率决定，它们决定了液体到达基底的可访问性。

综合这些结果，可以建立一个统一的设计规则：通过调节 δ，LINCSAT 可以实现可编程的润湿状态，δ 控制能量密度（过程），并决定涂层形态和覆盖率（结构），从而决定润湿机制（性能）。这涵盖了从 Cassie-Baxter（低附着力）到浸渍型 Cassie-Baxter（高附着力）的范围。这种可调性最终决定了表面的功能性能。这些依赖于基底的润湿状态转化为不同的应用相关功能。聚丙烯上的超疏水、低滞后的涂层非常适合自清洁表面、防污涂层、防污消费品材料、冷凝管理（增强液滴脱落）和开放式微流控系统中的低摩擦液体传输。相比之下，玻璃上的高附着力次疏水涂层可以实现液滴固定和空间限制，适用于液滴阵列分析、微反应器、蒸发驱动的分析物浓缩和模板材料沉积。重要的是，由于 LINCSAT 在常温条件下运行，不需要真空或高温处理，这些功能可以直接在复杂的、弯曲的或柔性的基底上实现。这为将润湿控制集成到实际系统中提供了机会，例如一次性诊断设备、流体处理组件、抗菌医疗表面和用于化学和生物传感的光学可寻址平台。

3. 方法
3.1 聚酰亚胺基底制备和铁基涂层的沉积
使用具有 50 微米标称厚度的热导性聚酰亚胺（PI）薄膜（Kapton，产品编号 2271K24，McMaster-Carr）作为激光诱导石墨烯（LIG）形成和随后 LINCSAT 沉积的前体供体基底。这种商用聚合物填充了氧化铝颗粒，以增强其热性能。在激光处理之前，PI 薄膜依次用丙酮和异丙醇清洗，然后用压缩空气流干燥，以去除任何残留溶剂或表面污染物。
为了选择性地用铁磁墨粉层涂覆 PI 薄膜的表面，清洗后的薄膜可以直接放入办公打印机（HP LaserJet Pro M12w）的进料托盘，或者使用低粘性胶带粘贴在标准信纸大小纸上以便于操作。作为涂层材料，使用了符合磁墨水字符识别（MICR）标准的商用磁墨粉，通常用于安全支票打印。墨粉被选择性地打印出来，以定义 PI 表面上有和没有墨粉覆盖的相邻厘米级区域。打印的墨粉层厚度约为 15 微米，其中包含在激光照射过程中起催化或吸收作用的氧化铁颗粒。

3.2 实验配置
聚酰亚胺供体基底通过低矮的玻璃支架在其边缘水平悬挂，以最小化接触并确保激光暴露期间的机械稳定性。受体基底可以是硼硅酸盐玻璃片（1英寸 x 3英寸，Fisherbrand）或聚丙烯（PP）块（0.125英寸厚，Curbell Plastics），直接放置在供体基底下方，并精确对齐，如图 6a–b 所示。所有受体基底通过依次用丙酮和异丙醇清洗，然后用压缩空气干燥。使用的 PP 基底是从实心均聚物片材切割而来，并按照相同的协议清洗，以确保实验中表面条件的一致性。
为了展示 LINCSAT 在 3D 基底上的效果，圆柱形缝线在两个方向上依次暴露，通过在光栅路径之间旋转缝线（180° 增量），实现完整的周向覆盖。

3.3 LINCSAT 的制备
使用了 MFPT 20 系列的 20 W 伽利略光纤激光标记系统，该系统配备了可拆卸的扫描头和 Full Spectrum 公司的主振荡器功率放大器（MOPA）。脉冲光纤激光系统的工作波长为 1064 纳米，可以独立控制脉冲持续时间和频率。脉冲持续时间可在 2 纳秒到 200 纳秒之间调节，最大脉冲能量在 45 千赫兹的脉冲频率下可达 0.44 毫焦耳。光束通过安装在电动 Z 轴台上的动态扫描镜组件传输。在扫描光学组件后面放置了一个 F-theta 物镜（焦距 = 254 毫米），以保持平面视野中的恒定光束腰径。产生的光束斑点在焦点处的大小为 35 微米。在整个实验过程中，扫描速度保持恒定在 80 毫米/秒，脉冲频率和脉冲持续时间分别为 400 千赫兹和 200 纳秒。激光功率系统地变化，以研究其对石墨烯形成的影响。所有激光处理都在常温空气条件下进行（温度约 21–22 °C，相对湿度约 40%），聚酰亚胺供体薄膜在激光场内保持平坦对中。在照射过程中，涂有墨粉的 PI 薄膜被牢固固定，以确保目标处理区域不受玻璃安装部件的阻碍，从而保证一致的曝光并最小化扫描过程中的阴影或错位。

3.4 LINCSAT 的表征
激光诱导的纳米碳的结构和性质通过光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、X 射线光电子能谱、光学张力计测量和光学轮廓测量法进行表征。
光学显微镜使用 Zeiss Smartzoom 5 数字显微镜进行，以获取低放大率的概览并评估 LIG 模式的均匀性。
三维多孔石墨烯形态的扫描电子显微镜（SEM）图像是使用 Zeiss SIGMA VP 场发射 SEM 获取的，样品喷涂了一层薄铂，并在 2.5 千伏的加速电压下成像。背散射 SEM 成像和能量分散 X 射线光谱（EDS）使用 ThermoFisher Phenom SEM 进行，以分析成分对比和元素分布。
透射电子显微镜（TEM）成像使用 Hitachi H-9500 E-TEM 进行。LINCSAT 涂层从聚丙烯基底上刮下，用乙醇超声波处理后滴涂在网状碳 TEM 格子上（200 网目，Ted Pella, Inc.，01881），然后进行成像。
拉曼光谱使用 XplorA RamanAFM/TERS 系统在室温条件下进行，配备 473 纳米激发激光，功率为 25 毫瓦。光谱在室温下获取，以探测石墨化程度并评估 sp2-杂化碳区域的 D、G 和 2D 带。
X 射线光电子能谱（XPS）测量使用 PHI GENESIS XPS 系统（Physical Electronics, USA）进行，配备单色化 Al Kα X 射线源（光子能量 = 1486.6 eV）。该系统能够在超高真空（UHV）条件下进行表面敏感的化学分析，采样深度约为 3–10 纳米。调查扫描在 117.4 eV 的通能下进行，而高分辨率的核心级光谱在 23.5 eV 的通能和 0.1 eV 的能量步长下记录。光电子逃离角度固定为 45°，分析区域直径约为 200 微米。对于聚合物或绝缘样品，使用双电子/离子冲击枪减轻表面电荷。对于表面清洁和深度成像，系统包括单原子 Ar+ 离子源（0.3–4.0 keV）和 Ar2500+ 气团离子束（GCIB）源。对于聚合物基底，优先使用 GCIB 以减少撞击损伤并保持化学计量。所有结合能均参考 C 1s 烃烃峰的 284.5 eV。在某些情况下，观察到 sp2 碳峰向 283.5 eV 移动。这种移动归因于静电充电和最终态效应，而不是化学键合的变化，这与先前的研究 [69]、[70]、[71] 一致。峰值拟合使用非对称洛伦兹（LA(50)）线型和 Shirley 型背景。这种拟合模型适用于导电和石墨化碳系统，其中峰值不对称性是由于 π–π? 摇动和最终态屏蔽效应 [72]、[73]。元素量化基于标准的 PHI 敏感度因子。

表面润湿性通过使用 Biolin Scientific Attention Theta 光学张力计进行静态滴接触角（CA）测量进行评估。在本研究中，选择了最低的有效激光功率（3.5 瓦特带墨粉）作为评估表面润湿性和共形涂层性能的主要操作条件。这种选择是有意的，因为更高的功率密度虽然能够产生更厚的涂层，但有可能热损伤或熔化热塑性基底（如聚丙烯）。因此，我们没有改变激光功率（或等效的能量密度）来调节润湿行为，而是将供体-受体间距（δ）作为主要控制参数。这种方法允许系统地调节涂层厚度和形态，而不会引入会混淆润湿性测量的基底降解伪影。在水温 23 °C 的空气中将水滴（5 微升）滴在样品表面上，并在沉积后 3 秒使用 Young–Laplace 方法记录静态接触角。通过以 1°/秒的速率自动倾斜样品台来确定滑动角。所有测量在每个样品的至少 10 个位置上进行三次重复，结果以平均值和标准偏差报告，以捕捉批次变异性。
转移的 LINCSAT 特征的表面地形使用 Keyence VR-3200 光学轮廓仪在 40× 的放大率下测量（像素间距 = 7.383 微米）。对于每条转移的线条，轮廓仪生成了涵盖特征全长和宽度的三维高度图。轮廓数据的后处理和可视化使用 Python 进行。为了表征每条线的截面形状，在特征长度的每个位置提取高度轮廓，并拟合到高斯函数：(1) Zfit(x)=Aexp?(x?x0)2/2σ2，其中 A 是峰值高度，x0 是中心位置，σ 是宽度参数（与半高宽 FWHM = 2.355σ 相关）。在拟合之前，从每个截面轮廓中减去线性基线，以消除任何基底倾斜。高斯分布仅针对峰值周围的一个狭窄区域（中心400微米范围内）进行拟合，以确保拟合捕捉到的是转移特征而非周围的平坦基底。为了获得可靠的统计摘要，数据经过三个步骤的处理。首先，选择沿特征长度的分析范围，排除转移线外的区域；其次，识别并排除线内的任何局部缺陷或间隙（例如，在较高激光功率下的转移不连贯性）；第三，自动移除特征起点和终点处高度低于平台值70%的位置，因为这些位置对应于部分形成的斜坡区域，高斯拟合在这些区域不可靠。处理后，计算了每种激光功率条件下的平均高度、半高宽（FWHM）和中心位置，以及它们的标准偏差。使用变异系数（CV）来量化高度均匀性。每种激光功率条件的完整轮廓测量分析见支持信息（S25–S46）。每个条件都附有一张六部分诊断图，包括：(a) 沿特征长度的高斯拟合峰高，显示单个柱状拟合结果和带有平均值标注的平滑轮廓；(b) 相应的半高宽（FWHM）；(c) 用于评估转移线直度的拟合高斯的横向中心位置；(d) 由轮廓仪获取的原始三维高度图；(e) 从空间变化的高斯拟合中重建的三维表面；(f) 用于评估拟合优度的残差图（原始数据减去拟合结果）。每个条件的配套图展示了用于计算统计摘要的过滤后数据集，区分了保留的数据点和在上述过滤步骤中被排除的数据点。这些图按以下方式组织：对于涂有墨水的供体条件，图S25–S26（3.5 W）、S27–S28（4.25 W）、S29–S30（5.38 W）、S31–S32（7.58 W）、S33–S34（9.02 W）和S35–S36（10.8 W）；对于未涂层的供体条件，图S37–S38（10.8 W）、S39–S40（12.58 W）、S41–S42（14.24 W）、S43–S44（15.76 W）和S45–S46（17.5 W）。每对图中，奇数编号的图包含六部分诊断信息，偶数编号的图包含过滤后的高度和半高宽数据。所有涂有墨水的条件的高度变异系数（CV）均低于6%，而未涂层条件的变异性较大，特别是在较低功率下（10.8 W时CV高达13.7%），只有在最高能量输入时才趋于一致。3.5. 过程重复性和统计数据分析LINCSAT过程的重复性受三个主要因素控制：激光参数、碳粉层均匀性和供体-接收器间隙控制。本研究中使用的MOPA光纤激光器提供了数字控制的功率、脉冲频率和脉冲持续时间，确保每次运行的能量输送一致[27]，[35]。碳粉层是通过商用台式打印机（HP LaserJet Pro M12w）沉积的，该打印机可以产生厚度均匀的涂层。我们之前的工作已经表征了碳粉在聚酰亚胺基底上的沉积重复性[25]。供体-接收器间隙（δ）使用已知厚度的校准玻璃片间隔器进行设置和维持，确保所有实验的几何重复性。这些受控输入共同确保观察到的涂层属性变化主要来自过程参数的有意调整，而不是每次运行的制造不一致性。为了确保统计严谨性和数据表示的清晰度，我们在所有实验测量中采用了以下程序：1. 成像和结构表征：对于SEM、TEM和表面轮廓测量，每种条件下选取一个代表性样本进行详细表征。手稿中展示的图像反映了样本中观察到的典型形态特征。2. 拉曼光谱：每种条件下对三个独立样本进行了拉曼测量。报告的强度比（例如ID/IG）表示这三个测量值的平均值±标准偏差。手稿中展示的光谱是从这些测量中选出的最佳代表。3. 轮廓厚度分析：提取横截面高度轮廓，并对其进行高斯函数拟合，过滤掉局部缺陷和边缘斜坡区域后计算平均高度、半高宽（FWHM）和中心位置。使用变异系数（CV）量化高度均匀性。所有涂有碳粉的条件显示CV值均低于6%，证实了转移线上的特征高度一致。拟合和过滤过程的详细信息见方法部分。4. 接触角测量：对于所有润湿性测量（静态接触角和滚落角），每种条件下制备并测量了三个独立样本。报告的值代表这三个独立样本的平均值±标准偏差。相关图中的误差条反映了这种变化。4. 结论我们展示了LINCSAT作为一种单步骤、低功率、环境友好的方法，可以在多种接收体上沉积富含sp2的纳米碳涂层，并实现可编程的润湿性。碳粉辅助的近红外吸收增强了光热耦合，能够在3.5 W的功率下（能量密度约为156 J/cm2）实现厚而均匀的沉积，与未涂层供体条件（10.8 W，能量密度约为483 J/cm2）相比，功率降低了三倍。在同等功率下，含碳粉的单线涂层的厚度约为44 μm，而不含碳粉的涂层约为26 μm。在3.5 W的功率下，3D缝合线上的涂层实现了共形覆盖且没有热损伤，并且在机械搅拌（2700 rpm的涡流清洗）后确认了良好的粘附性，供体-接收器间隙为1-3 mm的涂层保持了超过500 μm的厚度。结构和化学分析（SEM、TEM、拉曼和XPS）表明，富含sp2的成分增加（XPS显示最高可达57%的sp2碳），氧化程度降低，与非碳粉情况相比，这与石墨化的增强（高分辨率TEM显示的层间间距为3.35 ?）和供体衍生的氧化铝的掺入一致。功能上，LINCSAT使用相同的材料平台实现了两种可应用的润湿状态：在聚丙烯上，超疏水、低迟滞的涂层（静态接触角约为156°，δ=1mm时滚落角≤5°）提供了自清洁/非粘附行为，适用于防污、防垢内衬、去湿传输和释放层；在玻璃上，粘性的疏水（“准疏水”）涂层（接触角约为141°，从裸露玻璃的≤10°转变而来）产生了高角度但固定的液滴（迟滞≥80°），适用于液滴阵列分析、原位反应、蒸发驱动的预浓缩和模板沉积。通过控制激光能量密度、供体-接收器间距和供体吸收，可以简单地设计出不同的脱落或固定模式。与现有的LIG转移方法相比，LINCSAT将激光碳加工从图案化扩展到平面和曲面上的功能导向表面工程，对生物界面、柔性设备、自清洁表面和开放表面微流控领域具有直接的应用价值。CRediT作者贡献声明Soumalya Ghosh：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究；Diala Bani Mustafa：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究；Nathan Carney：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、研究；Mostafa Bedewy：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。